石墨作為一種非金屬的資源礦物，由于其自潤(rùn)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)，在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如密封材料、喉襯材料等。

一. 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(duì)密封材料提出了越來(lái)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(duì)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(guó)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(rùn)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。幾種液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的密封材料品種及規(guī)格如下表所示。

2.增強(qiáng)石墨材料

石墨材料密封性能差，需要通過(guò)其他材料（如樹(shù)脂、金屬等）浸漬石墨以改善其密封性能。

(1)?樹(shù)脂浸漬：樹(shù)脂一般為酚醛樹(shù)脂、四氫呋喃以及糠酮樹(shù)脂。賈謙等通過(guò)研究酚醛樹(shù)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。

SongYZ等從中間相炭微球(MCMBs)獲得的石墨材料經(jīng)樹(shù)脂和瀝青浸漬，再500℃炭化后得到增強(qiáng)材料，通過(guò)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。

(2)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，國(guó)外對(duì)銻浸漬石墨材料的物理性能進(jìn)行測(cè)試，相關(guān)研究如下表所示。

(3)無(wú)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(wú)機(jī)鹽浸漬后，石墨的高溫抗氧化性能明顯提高。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(shù)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(guò)酚醛樹(shù)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具有廣泛的應(yīng)用。

3.各向同性石墨材料

各向同性石墨材料起源于上世紀(jì)60年代，與其他石墨材料相比，各向同性石墨材料的綜合性能更優(yōu)，而且成型工藝也有所不同，一般采用冷等靜壓機(jī)為設(shè)備，將石油焦以及瀝青焦特殊處理后作為原料，制備的各向同性石墨材料具有抗壓強(qiáng)度以及彎曲強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)均勻致密、密度大、加工處理后密封面精度和光潔度極高、開(kāi)孔率很低等特點(diǎn)，所以又叫高密高強(qiáng)石墨材料。

俄羅斯采用各向同性熱解石墨材料作為密封材料應(yīng)用在新一代大推力航天發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪泵中。密封環(huán)的密封性能良好，目前還未出現(xiàn)過(guò)滲漏事故。目前，原料和成型工藝是各向同性石墨材料研究的關(guān)鍵。我國(guó)對(duì)各向同性石墨材料的開(kāi)發(fā)研究也有30多年，雖然在生產(chǎn)規(guī)模、工藝上都有了一些進(jìn)步，但是和國(guó)外相比，還是存在一定的差距。

二.喉襯材料

石墨材料的耐高溫性能、抗燒蝕性能以及輕質(zhì)性能等特點(diǎn)，為其成為小型火箭彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(SRM)喉襯材料提供了條件。上世紀(jì)40年代末，美國(guó)的固體探空火箭率先使用石墨喉襯，后來(lái)相繼出現(xiàn)了第一代喉襯材料(ATJ高強(qiáng)石墨材料)，第二代喉襯材料(G-90高密高強(qiáng)石墨材料)，第三代喉襯材料(Graphnol各向同性石墨材料)。

上世紀(jì)60年代初，中科院金屬研究所、西安航天復(fù)合材料研究所以及吉林炭素廠共同開(kāi)發(fā)的滲硅KS-8高強(qiáng)石墨材料可作為第一代喉襯材料。KS-8石墨喉襯材料成功解決了由于滲硅層過(guò)厚出現(xiàn)的熱裂問(wèn)題，從那時(shí)起，針對(duì)SRM研究由基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向型號(hào)，為后來(lái)喉襯材料奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。KS-8石墨喉襯材料已成功應(yīng)用到東方紅一號(hào)的末級(jí)SRM上。

隨著對(duì)SRM各方面要求的不斷提高，石墨喉 襯材料也同樣需要提高其耐燒蝕性能。上世紀(jì)60年代中期， 我國(guó)第一代喉襯材料T704 高密高強(qiáng)石墨材料由山西煤炭化學(xué)研究所、哈爾濱電碳研究所以及西安航天復(fù)合材料研究所自主開(kāi)發(fā)成功。上世紀(jì)80年代初， 哈爾濱電碳研究所和西安航天復(fù)合材料研究所共同開(kāi)發(fā)的T705石墨材料， 耐燒蝕性能得到大幅度改善，已在各種小型戰(zhàn)術(shù)彈的SRM喉襯等耐高溫抗氧化部位得到廣泛應(yīng)用。

T707、T715以及T711石墨材料，具有耐燒蝕性能，也可以作為小型火箭彈SRM的喉襯材料，屬于我國(guó)第二代喉襯材料。成都炭素有限公司研制的各向同性CDK-20石墨材料，利用等靜壓成型工藝，可作為小型火箭彈SRM的第三代喉襯材料，正在進(jìn)行應(yīng)用研究。國(guó)內(nèi)外喉襯用石墨材料性能對(duì)比如下圖所示。

除此之外，以粗粒級(jí)高強(qiáng)石墨為基材，采用高溫下直接對(duì)基材石墨坩堝加壓滲銅工藝制備的石墨滲銅材料(炭/銅復(fù)合材料)，也作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的喉襯材料。

石墨滲銅材料的主要技術(shù)指標(biāo)：

體積密度：1.75~1.80 g/cm 3 ，?壓縮強(qiáng)度：≥38 MPa，顯氣孔率：≥10%，?灰分：≤0.1%，石墨化度：≥70%。

滲銅前后材料性能見(jiàn)下表

三.電刷材料

電刷主要用于各種發(fā)動(dòng)機(jī)、變流機(jī)以及電機(jī) 等，要求電刷的導(dǎo)電、耐磨性能以及換向功能良好。電刷主要分為兩種，一種是采用樹(shù)脂或煤焦油瀝青當(dāng)做黏結(jié)劑，以石墨粉與金屬粉末為材料，制成的石墨電刷，也叫有色電刷;另一種則是以炭素材料(如石墨粉、焦炭粉等)為主要原材料制成，也叫黑色電刷。下面主要介紹3種電刷。

1.TD27黑色航空電刷

TD27黑色?航空電刷是通過(guò)和俄羅斯技術(shù)合作，以及引進(jìn)振動(dòng)球磨機(jī)、潤(rùn)滑材料造粒機(jī)和雙螺旋連續(xù)擠壓機(jī)等先進(jìn)的工藝設(shè)備，采用兩階段法生產(chǎn)開(kāi)發(fā)出來(lái)的新型航空電刷。此電刷特點(diǎn)是換向性能好、允許圓周速度適當(dāng)(達(dá)60m/s)，額定電流密度大(達(dá)30A/cm2 )以及磨損小。使用該電刷飛機(jī)的飛 行高度達(dá)兩萬(wàn)米以上，使用溫度可大于 200℃，并具有卓越的“三防”能力。該產(chǎn)品的主要技術(shù)性能水平可等同于俄羅斯產(chǎn)品Γ27，說(shuō)明我國(guó)黑色航空電刷的生產(chǎn)制備技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的水平。

2.TD32X 黑色航空電刷

國(guó)產(chǎn)?仿法飛機(jī)的主發(fā)電機(jī)QF-4.8使用的電刷是專門研制的TD32X黑色航空電刷。基體材料是DZ型電刷，經(jīng)過(guò)浸漬、填芯等處理加工而成。此電刷的換向性能以及“三防”能力優(yōu)良，使用壽命大約800 h。該電刷使用壽命大于法國(guó)的9020M黑色航空電刷使用壽命。

3.?T2J5 有色航空電刷

適用于?大容量航空起動(dòng)發(fā)電機(jī)的T2J5有色航空電刷同樣是專門研發(fā)的。該電刷換向性能良好，磨擦損耗低，電機(jī)使用壽命延長(zhǎng)，是原配TJ5電刷的1.5倍。并且該電刷的技術(shù)性能遠(yuǎn)高于TJ5電刷，達(dá)到領(lǐng)先水平。

中國(guó)石墨材料研發(fā)水平可以滿足航天產(chǎn)品的基本需求，但產(chǎn)品和國(guó)外相比還存在一定的差距，需要科研人員不斷提高石墨產(chǎn)品的綜合性能，以擴(kuò)大航空航天服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用。

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