多孔材料發(fā)汗材料

1、多孔材料之發(fā)汗材料多孔材料之發(fā)汗材料 多孔材料的孔隙度一般在15%以上，最高可達90%以上，孔徑從幾百埃到毫米級。多孔材料的孔隙度一般粗分為低孔隙度(60%)三類。 低孔隙度的多孔材料主要是含油軸承，高孔隙度的還包括金屬纖維多孔材料和泡沫金屬，主要用于電池極板、絕熱、消音、防震等。大量使用的過濾材料和發(fā)汗冷卻材大量使用的過濾材料和發(fā)汗冷卻材料多為中等孔隙度。料多為中等孔隙度。 粉末多孔材料由于具有發(fā)達的表面，多孔材料和穿流介質(zhì)之間存在很大的接觸面，具有十分迅速的熱交換作用，所以常將高溫部件做成多孔體，用冷卻劑通過加以冷卻。1 多孔材料的概述多孔材料的概述 2.1 作為多孔材料的發(fā)汗材料目前多應(yīng)

2、用于火箭發(fā)動機的噴管、燃氣舵、空氣舵、鼻錐上等高溫部件上。 喉襯位于噴管喉部，其作用為限制因燒蝕而造成喉部面積增大，而造成的推力下降。在發(fā)動機點火瞬間，喉襯從常溫以大于2000/S速度驟然升溫，產(chǎn)生極大的溫度梯度和熱應(yīng)力，易使喉襯出現(xiàn)裂紋或碎裂，將直接影響發(fā)動機的推力和效率，甚至失去工作能力。 所以必須對液體火箭發(fā)動機受熱關(guān)鍵部位進行良好的 冷卻，從而達到有效的熱防護目的。目前，火箭發(fā)動機的 主要冷卻技術(shù)包括再生冷卻、膜冷卻、輻射冷卻、燒蝕冷卻及發(fā) 汗冷卻。2 發(fā)汗材料的需求發(fā)汗材料的需求 2.2 與傳統(tǒng)的再生冷卻和膜冷卻技術(shù)相比，發(fā)汗冷與傳統(tǒng)的再生冷卻和膜冷卻技術(shù)相比，發(fā)汗冷卻具有較大的優(yōu)勢

3、：卻具有較大的優(yōu)勢：(1) 發(fā)汗冷卻的冷卻效果可靠，只需要較少的冷卻劑就能 實現(xiàn)良好的冷卻作用；(2) 發(fā)汗冷卻所需要的冷卻劑較少，冷卻劑注入壁面的速 度很慢，對燃燒室主流的擾動小，由此產(chǎn)生的性能損失少；(3) 冷卻劑的流速較小，產(chǎn)生的壓降相對低，有利于提高 燃燒室室壓，從而提高燃燒效率和發(fā)動機性能。 多孔發(fā)汗材料主要包括金屬基和陶瓷基發(fā)汗材料體系。3.1 金屬發(fā)汗材料金屬發(fā)汗材料 3.1.1 金屬發(fā)汗材料出現(xiàn)于20世紀30年代，最先獲得應(yīng)用的是用粉末冶金工藝制成的鎢銀“假合金”和鎢銅“假合金”。 50年代末，固體燃料火箭的發(fā)展，原來用的純鎢的噴管已不能滿足這樣的使用條件。 60年代初，馬特和

4、戈策爾等人根據(jù)“發(fā)汗冷卻”的概念重新研究了鎢銀“假合金”以及發(fā)汗冷卻、抗熱震等機理。60年代中期，美國研制出鎢銀發(fā)汗材料（W-10Ag）火箭噴管，裝備于“北極星”潛艇的導(dǎo)彈中。3 發(fā)汗材料的歷史發(fā)汗材料的歷史 金屬發(fā)汗材料由高熔點金屬和低熔點金屬復(fù)合構(gòu)成的一種特殊散熱材料。高熔點金屬構(gòu)成多孔的基體，孔隙中滲入低熔點金屬 。 當(dāng)這種復(fù)合材料在高溫下工作時，低熔點金屬蒸發(fā)吸熱，借以冷卻材料表面。 因此，金屬發(fā)汗材料的性質(zhì)決定于：兩種金屬的特性，原始粉末的粒度和形狀，骨架的密度和強度，毛細孔的形狀、大小和分布狀況，毛細孔的體積百分比和低熔點金屬含量諸因素。 3.1.2 金屬發(fā)汗材料特點及原理金屬發(fā)汗

5、材料特點及原理3.2 陶瓷發(fā)汗材料陶瓷發(fā)汗材料 3.2.1 W/Cu等合金材料存在密度大、抗氧化性能差、低溫脆性和成本高等問題，在應(yīng)用上受到一定的限制。 20世紀80年代以來，多孔陶瓷基發(fā)汗材料由于其輕質(zhì)、耐 高溫等性能優(yōu)點，對火箭發(fā)動機大推力、高比沖、可重復(fù)使用的 研制要求具有金屬材料不可比擬的性能優(yōu)勢，成為強迫發(fā)汗冷 卻材料研究的熱點。目前，主要的材料體系有多孔C/SiC復(fù)合 材料及SiC泡沫陶瓷。3.2.2陶瓷發(fā)汗材料實例陶瓷發(fā)汗材料實例 基于定向直孔多孔陶瓷制造技術(shù)，具有輕質(zhì)、耐高溫、抗熱震性好等優(yōu)點，可用于航空、航天飛行器高熱流密度部位主動冷卻系統(tǒng)?？砂凑湛蛻粼O(shè)計使用要求進行產(chǎn)品開發(fā)

6、。 主要性能指標：密度密度50Mpa 發(fā)汗材料按發(fā)汗冷卻的自發(fā)性分類，可分為自發(fā)汗冷卻和強迫發(fā)汗冷卻。 4.1 自發(fā)汗冷卻自發(fā)汗冷卻 4.1.1自發(fā)汗冷卻多見于粉末冶金材料制品，是通過加入基材內(nèi)的低熔點金屬粉末顆粒，在高溫下氣化蒸發(fā)帶走基材熱量以達到材料降溫的目的。 自發(fā)汗冷卻材料一般為粉末冶金制品，它由兩部分組成：(1)作為基體材料的高熔點相，如W、Mo及SiC、TiB、ZrB等陶瓷；(2)作為冷卻劑的低熔點相，如Cu、A1等。 4 發(fā)汗材料的分類發(fā)汗材料的分類 4.1.2 自發(fā)汗冷卻實例自發(fā)汗冷卻實例 我國制備的用于某型號火箭發(fā)動機W/Cu合金，研究表明，w滲Cu的材料中Cu的熔點只有10

7、83，0.1MPa下的蒸發(fā)點為2580，在發(fā)動機的工作過程中，通過Cu的熔化和蒸發(fā)吸收了大量的熱量，w骨架受到了良好的冷卻作用，保證了部件的正常工作。 鎢銅金屬發(fā)汗材料鎢銅金屬發(fā)汗材料4.2 強迫發(fā)汗冷卻強迫發(fā)汗冷卻 強迫發(fā)汗冷卻是一種復(fù)合冷卻技術(shù)，由發(fā)汗冷卻和氣膜冷卻組成。首先把材料制成多孔部件，工作過程中液體在壓力驅(qū)動下從部件材料的“汗孔”滲出蒸發(fā)帶走熱量 使部件降溫，以達到部件材料的冷卻降溫、保證部件不被高溫?zé)g的目的。 TiC/Cu復(fù)合材料作為耐燒蝕材料具有“自發(fā)汗冷卻”作用，熔點較低的金屬cu在高溫下通過熔融、氣化的相變過程能吸收大量熱量，對TiC骨架基體起到冷卻降溫的作用，從而降低

8、骨架材料的燒蝕率。5.1 TiC/Cu復(fù)合材料采用如下工藝制備：TiC粉末+黏結(jié)劑壓制成型脫黏劑燒結(jié)熔滲機加工5 發(fā)汗材料的耐燒蝕性能研究發(fā)汗材料的耐燒蝕性能研究5.2 耐燒蝕實驗?zāi)蜔g實驗 5.2.1 試驗以高溫等離子火焰為加熱源，試樣規(guī)格為4010 mm的圓片，火焰中心與試樣圓心接近，噴口與試樣的距離為40mm，燒蝕溫度約為3 300，等離子火焰的氣體為Ar和H2的混合氣體，燒蝕時間為15s。對燒蝕后的TiC/Cu復(fù)合材料的斷口進行掃描電鏡分析。斷口形貌 12X5.2.2 實驗結(jié)果如圖實驗結(jié)果如圖1區(qū) 3000X2區(qū) 3000XTiC/Cu試樣不同燒蝕區(qū)斷口形貌3區(qū) 3000X5.2.3

9、實驗結(jié)果分析實驗結(jié)果分析從燒蝕試樣的斷面形貌可以看出，離火焰最近的表層燒蝕區(qū)1區(qū)域的cu已完全揮發(fā)，TiC出現(xiàn)二次燒結(jié)，顆粒尺寸長大嚴重，一些連通的孔隙形成閉孔，TiC顆粒在高溫下甚至熔合成一體。在離燒蝕火焰較遠的2區(qū)，Cu也完全揮發(fā)，只剩下TiC骨架，骨架TiC顆粒在高溫下有一定長大。顆粒表面光滑，顆粒的孔隙圓化程度提高，但孔隙仍保持好的連通狀態(tài)。在離火焰最遠的燒蝕試樣中部3區(qū)，由于熱量散失較快，該區(qū)域溫度較低，Cu相揮發(fā)程度小，無cu的孔隙很少，與常溫TiC/Cu試樣斷裂形貌相似。 從燒蝕斷口形貌和燒蝕試樣的外觀可以看出，TiC/Cu復(fù)合材料在燒蝕過程中產(chǎn)生了類似于W/Cu材料的“發(fā)汗冷卻

10、”效果。 美國的ACE公司針對，在發(fā)汗冷卻過程中存在嚴重的局部過熱及擴 散和惡化，導(dǎo)致材料發(fā)生局部燒蝕失效這一問題，開發(fā)了激 光打孔金屬發(fā)汗材料，它是在金屬面板上通過激光打孔形成均 勻分布的直通孔隙，然后加工成發(fā)動機部件。激光打孔金屬發(fā)汗材料面板顯微結(jié)構(gòu) 激光打孔金屬發(fā)汗材料的優(yōu)點是孔隙結(jié)構(gòu)可控制，孔徑大 小、方向一致，分布均勻能形成暢通無阻的冷卻劑通道，孔隙之 間相互獨立，能夠有效避免局部過熱的擴散和惡化；缺點是激 光打孔耗時、成本高，難以制備形狀復(fù)雜的推力室構(gòu)件。6 金屬發(fā)汗材料的技術(shù)改進金屬發(fā)汗材料的技術(shù)改進 發(fā)汗冷卻作為液體火箭發(fā)動機最為有效的熱防護技術(shù)之 一， 已經(jīng)表現(xiàn)出了良好的研究和應(yīng)用前景。發(fā)汗冷卻材料作為 實現(xiàn)發(fā)汗冷卻的物質(zhì)載體，是發(fā)汗冷卻技術(shù)研究的關(guān)鍵技術(shù)。 國內(nèi)目前應(yīng)該主要進行以下幾個方面的工作：(1)盡 快開展發(fā)汗冷卻材料的