細編穿刺C/C喉襯材料燒蝕微結構及損傷機理①

吳小軍，楊 杰，楊云鵬，張兆甫，趙麗娜

(西安航天復合材料研究所，西安 710025)

0 引言

碳纖維細編穿刺預制體增強C/C復合材料因具有優異的整體結構性能、抗沖蝕性能及易于批量化工程制造等突出優點，已成為固體火箭發動機喉襯等熱端部件的首選抗燒蝕材料。在固體發動機高溫(2700～3400 ℃)、高壓(4～10 MPa)、高速沖刷(>1500 m/s)熱環境下，C/C喉襯型面因燃氣燒蝕而引起的型面尺寸變化會影響燃氣流速和熱能轉化效率，進而影響發動機工作狀態。因此，準確評估C/C喉襯的燒蝕損傷規律，揭示其燒蝕損傷機理，成為固體火箭發動機喉襯設計與服役的關鍵內容。國內外學者開展了以等離子燒蝕試驗測試、縮比發動機試驗測試為代表的實驗研究，并通過內流場模擬、建立燒蝕模型預測C/C喉襯燒蝕性能，通過典型工況下燒蝕微結構分析評價了燒蝕損傷機制。然而，現有實驗研究多基于實驗室模擬或縮比考核手段展開，其熱、力、氧環境與喉襯服役條件有一定差別；同時，針對長纖維細編穿刺C/C材料的燒蝕精細結構及演變機制的研究仍未涉及，評估機制的建立尚缺乏基礎數據支撐。

本文采用固體發動機熱環境點火試驗對全尺寸細編穿刺C/C喉襯進行真實服役環境考核，通過對考核后喉襯構件入口區、喉部區、出口區分散取樣，研究不同位置及纖維排布對C/C材料燒蝕微結構和損傷情況的影響。在此基礎上，建立了損傷模型，并揭示穿刺喉襯材料燒蝕損傷機制，為材料燒蝕性能優化提供依據。