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石墨在航天航空領域的應用
- 作者：admin
- 發(fā)布時間：2023-03-21 10:04
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石墨作為一種非金屬的資源礦物，由于其自潤滑性能、易成型加工、有良好的導熱性能、熱穩(wěn)定性能以及化學性能穩(wěn)定等特點，在航天航空領域應用廣泛，如密封材料、喉襯材料等。
作為密封材料
密封材料的性能直接決定了密封的可靠性。但隨著科學技術的發(fā)展和進步，對密封材料提出了越來越苛刻的要求。由于空間站具有高溫、低溫、高壓、微重力和腐蝕等嚴酷環(huán)境變化，空間站的密封材料主要應用于航天器的推進系統(tǒng)，機翼端頭、升降副翼等結構部件的密封，以及液壓系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)中的箱體、閥門等零件的靜密封和動密封。然而，由于發(fā)動機軸的旋轉(zhuǎn)速度快，石墨材料不能滿足對密封材料抗拉強度的要求，因此石墨材料不能用于軸封材料。
1.柔性石墨材料
上世紀80年代中期，美國成功研制出由天然鱗片石墨深加工制得的柔性石墨材料。柔性石墨材料由于具有良好的自潤滑性能和熱導率，較小的線膨脹系數(shù)和摩擦系數(shù)，以及較大的化學惰性，可替代石棉和橡膠材料，成功應用于高技術領域的密封材料。柔性石墨材料具有可壓縮性和回彈性高的特點，但強度極低，只能應用于低壓靜密封。幾種液體火箭發(fā)動機的密封材料品種及規(guī)格如下表所示。
2.增強石墨材料
石墨材料密封性能差，需要通過其他材料（如樹脂、金屬等）浸漬石墨以改善其密封性能。
(1) 樹脂浸漬：樹脂一般為酚醛樹脂、四氫呋喃以及糠酮樹脂。賈謙等通過研究酚醛樹脂在不同狀態(tài)下浸漬石墨材料的摩擦磨損特性，得出結論，液體火箭發(fā)動機渦輪泵的密封材料要具有適中的石墨化度。
(2)金屬浸漬： 金屬浸漬石墨可以保持兩者的優(yōu)點。常用的浸漬金屬有銻、銀、鉛以及銅等，國外對銻浸漬石墨材料的物理性能進行測試，相關研究如下表所示。
(3)無機鹽浸漬： 石墨材料在300℃以上容易發(fā)生氧化反應，使得材料的機械性能變差，利用無機鹽浸漬后，石墨的高溫抗氧化性能明顯提高。山西煤炭化學研究所用13 μm的天然石墨粉、3μm的BN粉、軟化點 175 ℃的瀝青、320μm的石油焦粉以及酚醛樹脂制備密封材料，首先粉末以一定比例混合后熱壓成型，再經(jīng)過酚醛樹脂浸漬炭化得到的石墨材料，在航空和航天端面密封以及其他減磨材料方面具有廣泛的應用。
3.各向同性石墨材料
各向同性石墨材料起源于上世紀60年代，與其他石墨材料相比，各向同性石墨材料的綜合性能更優(yōu)，而且成型工藝也有所不同，一般采用冷等靜壓機為設備，將石油焦以及瀝青焦特殊處理后作為原料，制備的各向同性石墨材料具有抗壓強度以及彎曲強度高、結構均勻致密、密度大、加工處理后密封面精度和光潔度極高、開孔率很低等特點，所以又叫高密高強石墨材料。
中國石墨材料研發(fā)水平可以滿足航天產(chǎn)品的基本需求，但產(chǎn)品和國外相比還存在一定的差距，需要科研人員不斷提高石墨產(chǎn)品的綜合性能，以擴大航空航天服務領域的應用。
作為密封材料
密封材料的性能直接決定了密封的可靠性。但隨著科學技術的發(fā)展和進步，對密封材料提出了越來越苛刻的要求。由于空間站具有高溫、低溫、高壓、微重力和腐蝕等嚴酷環(huán)境變化，空間站的密封材料主要應用于航天器的推進系統(tǒng)，機翼端頭、升降副翼等結構部件的密封，以及液壓系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)中的箱體、閥門等零件的靜密封和動密封。然而，由于發(fā)動機軸的旋轉(zhuǎn)速度快，石墨材料不能滿足對密封材料抗拉強度的要求，因此石墨材料不能用于軸封材料。
1.柔性石墨材料
2.增強石墨材料
(1) 樹脂浸漬：樹脂一般為酚醛樹脂、四氫呋喃以及糠酮樹脂。賈謙等通過研究酚醛樹脂在不同狀態(tài)下浸漬石墨材料的摩擦磨損特性，得出結論，液體火箭發(fā)動機渦輪泵的密封材料要具有適中的石墨化度。
(2)金屬浸漬： 金屬浸漬石墨可以保持兩者的優(yōu)點。常用的浸漬金屬有銻、銀、鉛以及銅等，國外對銻浸漬石墨材料的物理性能進行測試，相關研究如下表所示。
(3)無機鹽浸漬： 石墨材料在300℃以上容易發(fā)生氧化反應，使得材料的機械性能變差，利用無機鹽浸漬后，石墨的高溫抗氧化性能明顯提高。山西煤炭化學研究所用13 μm的天然石墨粉、3μm的BN粉、軟化點 175 ℃的瀝青、320μm的石油焦粉以及酚醛樹脂制備密封材料，首先粉末以一定比例混合后熱壓成型，再經(jīng)過酚醛樹脂浸漬炭化得到的石墨材料，在航空和航天端面密封以及其他減磨材料方面具有廣泛的應用。
3.各向同性石墨材料
中國石墨材料研發(fā)水平可以滿足航天產(chǎn)品的基本需求，但產(chǎn)品和國外相比還存在一定的差距，需要科研人員不斷提高石墨產(chǎn)品的綜合性能，以擴大航空航天服務領域的應用。
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