ZrC

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固体火箭发动机的喷管、燃气舵、端头帽等部件的工作温度常在2000以上，用于制做这些部件的材料必须具有良好的抗热震和耐烧蚀性能。随着固体火箭技术的发展，对航天防热材料提出了越来越高的要求。

因此，对于提高火箭发动机的安全系数和战斗力，研究新一代固体火箭发动机防热材料具有极为重要的意义。在先期的研究工作中发现，将高体积分数zrc颗粒加入w基体中，能够获得具有优异高温力学性能的zrcp/w复合材料。对该复合材料的氧乙炔焰烧蚀试验结果初步表明，该复合材料具有良好的抗热震和耐烧蚀性能。为了真实评价该复合材料的热震烧蚀性能，文中研究了该复合材料在发动机试车条件下的热震烧蚀性能，并探讨了其烧蚀机理，以便为复合材料的应用提供。由可见，材料在烧蚀后物相发生了很大的变化，原始的zrc已完全消失，w2c的含量较烧蚀前有所增加，同时有w02和alzr2等新相生成。燃气为弱氧化性气氛，主要成分有c0、c02、h20、h2、n2、n0、0h-、hcl、cr、液态a1203等。zrcp/w复合材料在高温燃气的作用下容易与其中的成分发生化学反应，引起物相的变化。可能发生的化学反应有：如果氧化性气氛强，wo2还可进一步氧化生成和分解生成单质zi和c，分解产生的zr将蒸发溢出或与其它物质发生反应而消失，而新生成的c与w迅速发生反应生成w2c.因此，在xrd图谱上未发现zrc或zr的衍射峰，而w2c的含量有所增加。烧蚀产物中人的产生，可能来自宇如下反应：zrc/w复合材料在含有多种气氛的高温燃气作用下，将发生复杂的物理化学作用，还可能生成其它化合物，中还有一些衍射峰为未知物质。

人口区组织的xrd图谱3.3烧蚀组织的sem观察为环形试样烧蚀后的微观组织形貌。可见，在试样的人口处烧蚀区分为两部分：过渡区和烧蚀区。

由（a）可见，烧蚀区的形貌凹凸不平，可以看到清晰的冲刷沟槽的痕迹，沟中有大量黑色颗粒，eds分析表明这些黑色颗粒为a1，它们来自于燃气所携带的固体粒子。这说明在试验过程中，高速固体粒子冲刷试样的内表面，引起烧蚀。显然，机械剥蚀是复合材料试样的主要烧蚀机理之一。由（b）可以看出，烧蚀区凹凸不平，许多固体粒子镶嵌人试样的内表面，说明在含固体粒子的高温燃气冲刷下，试样的内表面温度急剧升高，复合材料的强度和硬度降低，具有巨大动能的过渡区形貌固体粒子（a1203、a1等）容易嵌人复合材料中。由（c）还可以看到，试样表面有塑性流动的痕迹。虽然燃气温度并未超过复合材料的熔点（钨的熔点为3410t，zrc的熔点为3 53ctc），但由于燃气中含有大量高速高能固体粒子，强烈地冲刷和撞击试样内表面，导致内表面温度迅速升高，达到或超过材料的熔点，而使材料发生熔化烧损。熔化后的w和zrc很容易被高速燃气流冲刷带走，而出现河流状的组织（（c）），因此，熔化烧蚀也是zrc/w复合材料的一种烧蚀机制，但不是主要机制。由（d）上可清晰地看到许多白色的片层状颗粒，eds分析表明为钨的氧化物。

显然，这些氧化物是钨与燃气中的气氛反应生成的，与xrd的结果相一致。

brwn研究发现，对于钨基合金，燃气中的h20、c02、hci +a1203等成分与钨反应生成的w03是一层疏松多孔的膜，极易被燃气和燃气中的a1203颗粒冲刷掉，引起钨骨架热化学烧蚀。此外，未完全燃烧的氧化剂吸附在a1203表面也可与w反应生成w的氧化物。因此，zrcp/w复合材料环形试样也存在热化学烧蚀。

为烧蚀过渡区的形貌。由（a）可见，在复合材料表面附着或嵌人了许多黑色和白色发亮的颗粒，其大小不一，eds分析表明黑色颗粒是a1，而白亮的颗粒是a1的氧化物。由（b）可见，烧蚀过渡区的表面生成了大量细小的组织，颗粒大小约ifjini，而原始组织中的w和zrc颗粒的大小为2.5~3.所以这些细小组织应为w和zrc氧化后所生成的鹤的氧化物（w03、w02及中间过渡氧化物）和zk）2等化合物熔化凝固后的组织。因为以03和zr2的熔点比较低，分别为1471和2696：，所以容易被燃气流冲刷带走。

3.4改善复合材料热震烧蚀性能的途径由上述分析可知，zrcp/w复合材料试样在发动机试车条件下的主要烧蚀机理可归结为机械剥蚀、熔化烧蚀和热化学烧蚀，且以机械剥蚀为主。这与复合材-料在氧乙炔烧蚀条件下的热化学烧蚀机理不同。

为提高zrc/w复合材料环形试样的耐烧蚀性能可以采取以下途径：通过改善烧结工艺，提高复合材料的致密度及高温强度和硬度，提高试样抗机械剥蚀的能力；在保证抗热震的前提下，优化复合材料组成，或采用成分梯度设计的思想，适当提高复合材料的热导率，降低试样内表面温度，提高抗熔化烧蚀的能力。

4结论a.zrcp/w复合材料环形实物试样成功地通过了地面模拟试验，具有良好的抗热震性能，试验后环形试样整体结构完好。

55.7%；然后经过1步铺层厚度优化，结构重量由原来8178kg，比初始重量减少迭代次数/7应变能-迭代次数曲线结构重量-迭代次数曲线4结论各区域的应变能分别减少了80.4%，73.6%，78.9%，说明文中铺层优化方法的效率很高，在结构重量不变时，明显提高了结构的刚度；由于采用了分区域的技术，使结构的各部分的刚度均有较大的提篼；‘c各区域的质量分别减少了89.3%，75.8%，85.7，说明结构铺层厚度的优化效率是很高的；d.由于复合材料的强度比较高，优化攘果可以使铺层厚度很小，但这时结构的刚度将可能无法满足要求。在实际应用时，应把刚度和结构重量优化设计综合考虑，不能只注重减轻结构重量。

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