碳/碳复合材料工艺技术装备及应用

嘉宾：中国工程院院士 孙晋良主持：本报记者 陶璐璐上海大学复合材料研究中心研究员 任慕苏看似全金属包裹的导弹会和纺织领域有交集？答案是肯定的，不仅如此，作为导弹配套的关键部位的关键材料——碳/碳喉衬材料凭借其显著的材质优势为我国国防、航天事业的发展作出了重要贡献。碳/碳复合材料工艺技术装备及应用项目的第一完成人孙晋良院士认为，随着我国航天事业的发展和国家对型号发展的需求，碳/碳材料作为直接为国家重点战略战术导弹配套的关键部位的关键材料，它的应用将进一步扩大。与此同时，碳/碳材料可作为机械密封、轴承等耐磨材料，用于高温和污染等恶劣工况场合。打破西方技术壁垒推动喉衬材料发展主持人：您研制的碳/碳材料主要应用在哪些领域？请您简单介绍一下碳/碳复合材料这个项目。孙晋良：我们项目研制的碳/碳材料主要为我国国防军工及航天工业用新一代固体火箭发动机（SRM）配套，同时还将用于高温密封和轴承等。碳/碳复合材料以聚丙烯腈预氧化纤维（PANOF）整体毡为预制件，采用化学气相渗透（CVI）和树脂浸渍复合工艺制备而成，具有高比强度、耐烧蚀、抗热震冲击、抗冲刷、耐高温、耐磨损等性能等一系列特点。我们对碳/碳材料CVI工艺过程进行了仿真模拟，研究了碳/碳材料CVI工艺过程的影响因素及规律，优化了CVI工艺。该项目完成了专用控制软件的研发，在国内该领域率先将由PC-PLC二级控制的技术应用于碳化及CVI工艺，实现了CVI工艺和碳化工艺的计算机自动控制。它的工艺先进可靠，产品质量稳定，具有创新性，总体水平达到国际先进。该项目的研究成果——碳/碳材料为国防军工及航天工业用固体火箭发动机的发展提供了新型喷管喉衬材料，促进了固体火箭发动机的发展，为我国的航天事业和国防军工建设作出了重要贡献，社会效益很大。主持人：碳/碳复合材料的主要特点有哪些？该项目又有哪些立项背景？孙晋良：碳/碳复合材料是用碳纤维增强碳基体的一种高技术新材料，它具有优异的抗烧蚀性、抗热震性、高比强度、高比模量及高温性能稳定等一系列特点。在固体火箭发动机（SRM）中，喷管喉部的烧蚀状态最为恶劣，因此，必须采用具有良好耐烧蚀和抗冲刷性能的喷管喉衬材料来抵御严酷的烧蚀环境。喉衬材料经历了难熔金属、陶瓷、石墨、纤维增强塑料等一系列材料的进步，满足了早期各个不同阶段SRM发展的需要。碳/碳复合材料的崛起，推动了喷管喉衬材料的更新换代，美、法、俄等国家花费了巨资进行碳/碳喷管新材料、新工艺及新结构的研究，欧美推出了碳纤维多向编织技术、高压液相浸渍工艺及CVI工艺，并利用这些方法制得了高密度的3D、4D碳/碳整体式喉衬—入口段和整体式喉衬—扩张段等。目前，碳/碳材料已成为先进SRM广泛采用的材料。任慕苏：碳/碳喉衬是SRM中的关键部件，在SRM工作过程中，碳/碳喉衬承受着3000K以上的高温和含有固体粒子的高速燃气流的冲刷。在这种严酷的烧蚀环境下，碳/碳喉衬必须能抵御高温、高压和固体粒子的冲刷，并保持低的烧蚀率和均匀良好的烧蚀外形。1976年以前，碳/碳材料作为洲际导弹弹头端头帽和SRM喷管喉衬的候选材料，基于碳/碳材料的重要性，美国及其他西方国家的许多研究成果都是严格保密。所以，只有通过自主研发才能满足我国固体火箭发动机对喉衬材料的需求。应用于多种型号SRM性能已达国际水平主持人：关于碳/碳材料的研究国内外都有许多关注，与当前国内外同类技术主要参数相比，该项目有哪些竞争优势？孙晋良：由于碳/碳复合材料的预制体结构和致密工艺的不同，其性能可在很宽的范围内变化。根据实际需要，通过设计结构和控制组分可获取适宜的性能。其预制体结构是碳/碳复合材料实现性能可设计性的基础。目前，国外在航天上面级SRM、地地战略导弹SRM、潜地战略导弹SRM、先进战术导弹SRM、运载火箭大型助推器等五个系列的所有SRM中，几乎全部采用3D、4D碳/碳喉衬材料。国外碳/碳喉衬材料多为三向或多向碳/碳复合材料，而本项目研制的以整体毡为预制体的碳/碳喉衬材料，国外无同类材料，因此无法比较整体毡碳/碳材料性能。通过我们研制的整体毡碳/碳和三向碳/碳喉衬材料以及国外碳/碳喉衬材料性能对比，我们的三向碳/碳喉衬材料性能已达到同类材料的国际先进水平。主持人：作为军用及航天装备，该项目的经济和社会效益有哪些？任慕苏：由于碳/碳复合材料用于国防及航天事业，其直接经济效益难以估算。国庆60周年阅兵式上展示了碳/碳喉衬配套的导弹。碳/碳复合材料为国防军工及航天工业用固体火箭发动机的发展提供了新型喷管喉衬材料，促进了固体火箭发动机的发展，为我国的航天事业和国防军工建设作出了重要贡献，取得了巨大的社会效益。（中国纺织报）