石墨材料在航天领域的应用

简述了石墨材料在航天领域的应用,以及适用于航天技术发展需要的石墨材料未来发展建议。

石墨作为一种非金属的资源矿物，由于其自润滑性能、易成型加工、有良好的导热性能、热稳定性能以及化学性能稳定等特点，在航天领域应用广泛，如密封材料、喉衬材料等。 本文主要从石墨材料在航天领域的应用以及展望两个方面进行论述。

1 石墨材料在航天领域的应用 

1.1 密封材料 

密封材料的性能直接决定密封的可靠性。 随着 科学技术的发展和进步，对密封材料提出了越来越 苛刻的要求。 由于空间站具有高温、低温、高压、微重力和腐蚀等严酷环境变化，空间站的密封材料主要应用于航天器的推进系统，机翼端头、升降副翼等结构部件的密封， 以及液压系统和气动系统中的箱体、阀门等零件的静密封和动密封，然而，由于发动机轴的旋转速度快，石墨材料不能满足对密封材料抗拉强度的要求，因此石墨材料不能用于轴封材料。 

（1）柔性石墨材料 上世纪 80 年代中期， 美国成功研制出由天然鳞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润滑性能和热导率，较小的线膨胀系数和摩擦系数， 以及较大的化学惰性，可替代石棉和橡胶材料，成功应用于高技术领域的密封材料。 柔性石墨材料具有可压缩性和回弹性高的特点，但强度极低，只能应用于低压静密封。 几种液体火箭发动机的密封材料品种及规格如表 1 所示。 

（2）增强石墨材料 

石墨材料密封性能差，需要通过其他材料（如树脂、金属等）浸渍石墨以改善其密封性能。

（a）树脂浸渍：树脂一般为酚醛树脂、四氢呋喃以及糠酮树脂。 贾谦等通过研究酚醛树脂在不同状态下浸渍石墨材料的摩擦磨损特性， 得出结论， 液体火箭发动机涡轮泵的密封材料要具有适中的石墨化度；Song Y Z 等从中间相炭微球（MCMBs） 获得的石墨材料经树脂和沥青浸渍，再 500 ℃炭化后得到增强材料，通过研究发现，浸渍、炭化周期增加使得材料的孔隙率减少，致密度提高，使得材料的弯曲强度增加，密封性能优异，在液体火箭发动机有着良好的应用前景。 

（b）金属浸渍：金属浸渍石墨可以保持两者的优点。 常用的浸渍金属有锑、银、铅以及铜等，国外对锑浸渍石墨材料的物理性能进行测试，相关研究如表 2 所示。 

（c）无机盐浸渍：石墨材料在 300 ℃以上容易发生氧化反应，使得材料的机械性能变差，利用无机盐浸渍后，石墨的高温反氧化性能显明提高。 山西煤炭化学研究所用 13 μm 的天然石墨粉、3 μm 的 BN 粉、 软化点 175 ℃的沥青、320 μm 的石油焦粉以及酚醛树脂制备密封材料，首先粉末以一定比例混合后热压成型，再经过酚醛树脂浸渍炭化得到的石墨材料，在航空和航天端面密封以及其他减磨材料方面具有广泛的应用。 

（3）各向同性石墨材料 

各向同性石墨材料起源于上世纪 60 年代，与其他石墨材料相比，各向同性石墨材料的综合性能更优，而且成型工艺也有所不同，一般采用冷等静 压机为设备，将石油焦以及沥青焦特殊处理后作为原料，制备的各向同性石墨材料具有抗压强度以及弯曲强度高、结构均匀致密、密度大、加工处理后密封面精度和光洁度极高、开孔率很低等特点，所以又叫高密高强石墨材料。 俄罗斯采用各向同性热解石墨材料作为密封材料应用在新一代大推力航天发动机的涡轮泵中。 密封环的密封性能良好，目前还未出现过渗漏事故。 目前，原料和成型工艺是各向同性石墨材料研究的关键。 我国对各向同性石墨材料的开发研究也有 30 多年，虽然在生产规模、工艺上都有了一些进步，但是和国外相比，还是存在一定的差距。

1.2 喉衬材料 

石墨材料的耐高温性能、抗烧蚀性能以及轻质性能等特点，为其成为小型火箭弹固体火箭发动机 （SRM）喉衬材料提供了条件。 上世纪 40 年代末， 美国的固体探空火箭率先使用石墨喉衬，后来相继出现了首代喉衬材料（ATJ 高强石墨材料），第二代喉衬材料（G-90 高密高强石墨材料），第三代喉衬材料（Graphnol 各向同性石墨材料）。 上世纪 60 年代初，中科院金属研究所、西安航天复合材料研究所以及吉林炭素厂共同开发的渗硅 KS-8 高强石墨材料可作为首代喉衬材料。 KS-8 石墨喉衬材料成功解决了由于渗硅层过厚出现的热裂问题，从那时起，针对 SRM 研究由基础转向型号，为后来喉衬材料奠定了坚实的基础。 KS-8 石墨喉衬材料已成功应用到东方红一号的末级 SRM 上。 随着对 SRM 各方面要求的不断提高， 石墨喉衬材料也同样需要提高其耐烧蚀性能。 上世纪 60 年代中期， 我国首代喉衬材料 T704 高密高强石墨材料由山西煤炭化学研究所、哈尔滨电碳研究所以及西安航天复合材料研究所自主开发成功。 上世纪 80 年代初， 哈尔滨电碳研究所和西安航天复合 材料研究所共同开发的 T705 石墨材料， 耐烧蚀性能得到大幅度改善， 已在各种小型战术弹的 SRM 喉衬等耐高温反氧化部位得到广泛应用。 T707、T715 以及 T711 石墨材料， 具有耐烧蚀性能，也可以作为小型火箭弹 SRM 的喉衬材料，属于我国第二代喉衬材料。 成都炭素有限公司研制的各向同性 CDK-20 石墨材料，利用等静压成型工艺， 可作为小型火箭弹 SRM 的第三代喉衬材料，正在进行应用研究。国内外喉衬用石墨材料性能对比如表 3 所示。 除此之外，以粗粒级高强石墨为基材，采用高温下直接对基材石墨坩埚加压渗铜工艺制备的石墨渗铜材料（炭/铜复合材料），也作为固体火箭发动机的喉衬材料。 石墨渗铜材料的主要技术指标： 

体积密度：1.75~1.80 g/cm³； 

压缩强度： ≥38 MPa； 

显气孔率：≥10%； 

灰分：≤0.1%； 

石墨化度：≥70%。 

渗铜前后材料性能见表 4，更多石墨新闻资讯联系我们。