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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(dǎo)熱性能、熱穩(wěn)定性能以及化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn),在航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,如密封材料、喉襯材料等。
1.1 密封材料
密封材料的性能直接決定密封的可靠性。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)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(yán)酷環(huán)境變化,空間站的密封材料主要應(yīng)用于航天器的推進(jìn)系統(tǒng),機(jī)翼端頭、升降副翼等結(jié)構(gòu)部件的密封,以及液壓系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)中的 箱體、閥門等零件的靜密封和動(dòng)密封,然而,由于發(fā)動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)速度快,石墨材料不能滿足對密封材料抗拉強(qiáng)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(jì)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(dǎo)率,較小的線膨脹系數(shù)和摩擦系數(shù), 以及較大的化學(xué)惰性,可替代石棉和橡膠材料,成功應(yīng)用于高技術(shù)領(lǐng)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(diǎn),但強(qiáng)度極低,只能應(yīng)用于低壓靜密封。
(2)增強(qiáng)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)浸漬石墨以改變其密封性能。
(a)樹脂浸漬:樹脂一般為酚醛樹脂、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(jié)論,液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的密封材料要具有適中的石墨化度;
從中間相炭微球(MCMBs)獲得的石墨材料經(jīng)樹脂和瀝青浸漬,再500 ℃炭化后得到增強(qiáng)材料,通過研究發(fā)現(xiàn),浸漬、炭化周期增加使得材料的孔隙率減少,致密度提高,使得材料的彎曲強(qiáng)度增加,密封性能優(yōu)異,在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有著良好的應(yīng)用前景。
(b)金屬浸漬:金屬浸漬石墨可以保持兩者的優(yōu)點(diǎn)。 常用的浸漬金屬有銻、銀、鉛以及銅等
(c)無機(jī)鹽浸漬:石墨材料在300℃以上容易發(fā)生氧化反應(yīng),使得材料的機(jī)械性能變差,利用無機(jī)鹽浸漬后,石墨的性能明顯提高。山西煤炭化學(xué)研究所用13 μm的天然石墨粉、3μm的BN粉、軟化點(diǎn) 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有廣泛的應(yīng)用。