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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。 本文主要從石墨材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用以及展望兩個(gè)方面進(jìn)行論述。
1 石墨材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用
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(duì)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(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。 幾種液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的密封材料品種及規(guī)格如表1所示。
（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）浸漬石墨以改善其密封性能。
（a）樹脂浸漬：樹脂一般為酚醛樹脂、四氫呋喃以及糠酮樹脂。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；
Song Y Z 等從中間相炭微球（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，國外對(duì)銻浸漬石墨材料的物理性能進(jìn)行測(cè)試，相關(guān)研究如表2所示。
（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。我國對(duì)各向同性石墨材料的開發(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，但是和國外相比，還是存在一定的差距。
1.2 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，美國的固體探空火箭率先使用石墨喉襯，后來相繼出現(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厚出現(xiàn)的熱裂問題，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。國內(nèi)外喉襯用石墨材料性能對(duì)比如表3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/cm3 ；
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表4。
1.3 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和俄羅斯技術(shù)合 作，以及引進(jìn)振動(dòng)球磨機(jī)、潤滑材料造粒機(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)開發(fā)出來的新型航空電刷。 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)30 A/cm2 ）以及磨損小。使用該電刷飛機(jī)的飛 行高度達(dá)兩萬米以上，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，說明我國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，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。
2 石墨材料在航天領(lǐng)域應(yīng)用的展望
2.1 密封材料
石墨由于自身的缺陷，限制了其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，通過對(duì)石墨材料進(jìn)行改進(jìn)，使石墨材料獲得具有高強(qiáng)度、高密度、細(xì)顆粒、高純度、耐腐蝕、耐高溫以及低污染等特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)將是石墨材料的發(fā)展方向。為使密封材料更好地滿足航天領(lǐng)域要求，有以下幾個(gè)方面需要注意：
（1）進(jìn)一步加強(qiáng)石墨材料浸漬機(jī)理的研究。 了解不同材料浸漬石墨的不同機(jī)理，如樹脂固化機(jī)理以及金屬滲流模擬的研究，可以進(jìn)一步匹配原材料和炭石墨制品以及采用適當(dāng)?shù)慕n工藝，以達(dá)到最好浸漬效果，得到適用于密封的最好石墨材料。
（2）重視原料選擇。通過研究不同原料對(duì)石墨性能的影響，從而改善原料自身缺陷，完善材料工藝，降低成本以及縮短生產(chǎn)周期，從而減少能源消耗。
（3）加強(qiáng)應(yīng)用環(huán)境研究。根據(jù)不同環(huán)境的要求進(jìn)行相應(yīng)的研究應(yīng)用，使其更加細(xì)致、具體；與此同時(shí)對(duì)石墨復(fù)合材料進(jìn)行不斷開發(fā)研究，不斷提高其性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。
2.2 喉襯材料
目前喉襯的石墨材料主要是第二代的喉襯材料，但是第二代喉襯材料的石墨基體由于密度較低，燒蝕率較大等缺點(diǎn)，滿足不了所有小型戰(zhàn)術(shù)彈高壓強(qiáng)SRM喉襯的要求，因此需要加快開發(fā)第三代喉襯材料。
第三代喉襯材料的主要的發(fā)展方向是提高材料的抗燒蝕性能及抗熱沖擊性能，以更好地適用于喉襯材料，對(duì)此有以下幾個(gè)建議：
（1）選擇針狀石油焦的石墨材料。針狀石油焦的材料具有低熱膨脹系數(shù)以及易于石墨化的特點(diǎn)，這樣石墨材料的熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)得到提高，進(jìn)而材料的抗熱沖擊性能也可以得到提高。
（2）適當(dāng)?shù)淖畲箢w粒尺寸。目前國外抗熱沖擊性能最佳的石墨材料的最大顆粒尺寸為90μm，而國內(nèi)僅為50μm。因此，如果國內(nèi)石墨材料的最大顆粒尺寸可以達(dá)到90μm左右，抗熱沖擊性能應(yīng)可以得到完善。
（3）提高石墨化度。提高石墨化溫度可降低熱膨脹系數(shù)，提高熱導(dǎo)率，同時(shí)提高石墨喉襯材料的抗熱沖擊性能。
（4）適度控制石墨材料的密度。研究發(fā)現(xiàn)石墨材料密度越大，其燒蝕性能越低，但是熱膨脹系數(shù)也越高，將密度控制在1.80 g/cm3左右，可以在提高材料的抗熱沖擊性能的同時(shí)又不會(huì)使熱膨脹系數(shù)過大。
2.3 其他材料
石墨在電刷和其他航天領(lǐng)域應(yīng)用比較少，這就需要不斷開發(fā)新型的石墨材料如多功能材料、復(fù)合材料、納米材料等，使其擴(kuò)大在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。
3 結(jié)論
中國石墨材料研發(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)大航天服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用。
來源：炭素技術(shù) 作者：王婭楠 劉建軍 韓笑
（西安航天復(fù)合材料研究所、西安康本材料有限公司）
石墨邦編輯整理 http://mp.weixin.qq.com/s/_u3-EysVHU63LEQ6sY9sZw
