再入大气环境下材料性能的实验模拟方法研究

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1、摘要碳／碳化硅陶瓷基复合材料(C／SiC)是一种新型防热结构一体化材料，具有优异的耐高温性能、抗氧化性能、摩擦性能以及低密度等特点，是第二代空天飞行器防热结构一体化的关键材料。根据跨大气层飞行器再入大气的气动加热环境和C／SiC复合材料构件的应用特点，要求C／SiC陶瓷基复合材料具有优异的应力氧化烧蚀性能，以满足防热结构一体化构件重复使用的要求；优异的高温连接性能，以满足制造大型复杂防热结构一体化构件的需要；优异的高温高载低速摩擦磨损性能，以满足方向舵、襟翼等活动防热结构一体化构件的使用要求。因此，研

2、究C／SiC陶瓷基复合材料的高温应力氧化烧蚀、高温连接以及高温高载低速摩擦磨损环境性能，对其在空天飞行器上的应用具有重要意义。本文根据材料再入环境的应力氧化烧蚀、高温连接以及高温高载低速摩擦磨损性能模拟的要求，研制了用于材料环境性能研究的再入大气环境实验模拟设备。该模拟设备由常压亚音速燃气流风洞、材料力学试验机与伺服传动装置等部分组成。主要研究内容与结果如下：1．设计并制造常压亚音速燃气流风洞，实现了再入大气热物理化学环境的模拟。该风洞加热效率高，几分钟内就可加热到最高温度1800。C：燃气成分与大气

3、成分相近，可长时间(约30min)持续运行。2．设计并制造伺服传动装置，实现了方向舵、襟翼等活动控制构件铰链的机械转动模拟。该装置能够对高温高载条件下的试验件进行转速控制(0-128r／min)和转矩控制(0-50N·m)。3．设计并制造应力氧化烧蚀、高温连接以及高温高载低速摩擦磨损性能实验模拟的试验件和夹具，试验件和兴具在实验过程中未发生非正常破坏，表明试验件与夹具的设计合理可行。4．进行了C／SiC材料的应力氧化烧蚀、高温连接和高载低速摩擦磨损性能的实验模拟验证，结果表明材料再入大气环境性能实验模

4、拟设备达到了设计要求。关键词：C／SiC防热结构一体化材料，再入大气环境．应力氧化烧蚀，高温连接高温高载低速摩擦磨损AbstractC／SiCceramicmatrixcompositeiSanewkindofthermo—structurematerial．Ithasbeenakeythermo．structurematerialforthe2ndgenerationspacecraftbecauseofexcellenthightemperatureperformance，oxidationres

5、istance，frictionpropertyandlowdensity,etc．AccordingtOaerodynamicheatingenvironmentofre—entryatmosphereandspecialtiesofC／SiCcomponents，C／SiCceramicmatrixcompositehasexcellentstressedoxidationandablationresistanceforthereuseofthermo·structurecomponents．It

6、sgoodhotjointpropertymeetstheneedofmanufactureforbigcomplexthermo-structurecomponents．Ithasgoodfrictionandwearpropertyathightemperaturehighloadandlowrotationspeed．whichsatisfiestheapplicationofmovablethermo—structurecomponentssuchasrudder,bodyflap，etc．S

7、oitisimportanttoresearchthestressedoxidationandablationresistanceproperty，hotjointpropertyandfrictionandwearpropertyofC／SiCceramicmatrixcompositeforapplicationsinspacecraftAccordingtoresearchmaterials’stressedoxidationandablationproperty,hotjointpropert

8、yandfrictionandwearpropertyathightemperature，highloadandlowrotationspeedinre-entryatmosphereenvironment，anexperimental-anologicfacilitywasdesignedandmannfactured．Itwascomposedofcommonpressuresubsonicgas—firedwindtunnel．materialte