2024年5月15日发(作者：万阳朔)
固体火箭技术
第３８卷第４期
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｒｏｃｋｅｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．４ ２０１５
喉衬用石墨材料的性能和功能评价①
苏君明，谢乔，冯婧，朱艳，张明，肖志超
７１００２５） （西安航天复合材料研究所，西安超码科技有限公司，西安
摘要：评价了国内固体火箭发动机喉衬中成功应用的第一代高强石墨、第二代高密高强石墨、第三代各向同性石墨的
物理、力学、热学等材料基本性能和抗热冲击、耐烧蚀等应用功能，并与国外相应的石墨材料性能与功能进行了分析对比，
为建立喉衬用石墨材料数据库奠定了基础。揭示了石墨材料拉伸强度、热导率、弹性模量及热膨胀系数与抗热冲击功能的
关联度。指出适当放大配料方的最大颗粒度，提高石墨化温度和适宜控制石墨材料的密度范围，是提高各向同性石墨材料
综合性能的重点改进方向。
关键词：固体火箭发动机喉衬；石墨；材料基本性能；使用功能；评价
中图分类号：Ｖ２５８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６．２７９３（２０１５）０５５４．０８
ＤＯＩ：１０．７６７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－２７９３．２０１５．０４．０２０
Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ
ｇｒａｐｈｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ
ＳＵ Ｊｕｎ－ｍｉｎｇ，ＸＩＥ Ｑｉａｏ，ＦＥＮＧ Ｊｉｎｇ，ＺＨＵ Ｙａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎｇ，ＸＩＡＯ Ｚｈｉ—ｃｈａｏ
（Ｘｉ＇ａｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ＂ａｎ Ｃｈａｏｍａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００２５）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｖａｌｕａｔｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｈｙｓｉｃａｌ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｔｈｅｎ ａｎａｌｙ一
８ｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｈｏｃｋ ｒｅｓｉｓｔｎｃｅ ａｎｄ ａｂｌａｔｉａｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｈｉｓｈ・・ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｇｒａｐｈ—－
ｉｔｅ，ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｈｉｓｈ－ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｓｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｇｒａｐｈｉｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｔｒｏｐｙ ｇｒａｐｈｉｔｅ，ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ＳＵＣ—
ｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｒｏｃｋｅｔ ｍｏｔｏｒ ｉｎ Ｃｈｉｎａ．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ａ—
ｂｏｖｅ－ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｓｉｍｉｌａｒ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｌａｙ ａ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ａ ｄａｔｂａａｓｅ ｏｆ ｔｈｒｏａｔ・・ｉｎｓｅｒｔ—
ｕｓｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａ１．ｈｅ ｃｏｒｒｅｌＴａｔｉｏｎ ａｍｏｎｇ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｍｏｄｕｌｕｓ，ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ
ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｈｏｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅｖｅａｌｅｄ，Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ，ｒａｉｓｉｎｇ
ｒａｐｈｉｇｔｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｒｇａｐｈｉｔｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅ ｒｅ ａｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｔｏ ｅｎ－
ｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｉｓｏｔｒｏｐｙ ｇｒａｐｈｉｔｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｒｏｃｋｅｔ ｍｏｔｏｒ；ｇｒａｐｈｉｔｅ；ｂａｓｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ；ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ
Ｏ 引言
属所、吉林炭素厂、西安航天复合材料所开发了第一代
（Ｓ一８高强石墨喉衬。Ｋｓ－８石墨材料是仿制前苏
石墨材料具有轻质、耐高温、抗烧蚀等独特性能，
渗硅ｌ
是小型火箭弹固体火箭发动机（简称ＳＲＭ）喉衬的首
联的Ｃ一１７８石墨，并在吉林炭素厂批生产，解决了研制
选材料。早在１９４７年，美国发射的固体探空火箭就成
过程因渗硅层过厚而产生的热裂问题。为配合航天科
功使用了石墨喉衬，以后陆续开发了以ＡＴＪ高强石墨
技四院ＳＲＭ由基础研究转向型号研制，奠定了坚实的
为代表的第一代喉衬材料，以Ｇ一９ｏ高密高强石墨为代
喉衬材料基础，已成功应用到国内第一颗人造地球卫
表的第二代喉衬材料¨ Ｊ，以Ｇｒａｐｈｎｏｌ各向同性石墨
星——东方红一号的末级ＳＲＭ上。
为代表的第三代喉衬材料 Ｊ。
为适应中能固体推进剂发展的需求，提高石墨喉
２Ｏ世纪６０年代初期，国内提出了石墨与难熔金
衬的耐烧蚀性能，２０世纪６０年代中期，由中科院山西
属并举的ＳＲＭ喉衬材料研究发展计划。由中科院金
煤化所、哈尔滨电炭所、西安航天复合材料所自主开发
① 收稿日期：２０１５—０１－２１；修回日期：２０１５—４－０２７。
作者简介：苏君明（１９３８一），男，教授级高工，从事Ｃ／Ｃ喉衬、刹车盘的研究与开发以及石墨喉衬材料的应用研究。
・－－－——
５５４・－－－——
２０１５年８月 苏君明，等：喉衬用石墨材料的性能和功能评价 第４期
了第二代高密高强Ｔ７０４石墨。８０年代初，由哈尔滨
ＣＤＫ．２０石墨，作为小型火箭弹ＳＲＭ的第三代喉衬材
电炭所和西安航天复合材料所开发了Ｔ７０５石墨，均在
料，正与航天科技集团公司七院进行应用研究。
哈尔滨电炭厂批生产。该石墨采用中粒级配料方、硫
本文重点评述了国内外喉衬用石墨材料的常规性
并提出存
改性煤沥青粘接剂、热模压成型工艺及约束焙烧等创
能及其使用功能，为建立数据库奠定了基础，
新工艺，大幅提高了石墨材料的成品率和耐烧蚀性能，
在的问题和改进途径。
已成功应用到各种小型战术弹的ＳＲＭ喉衬中 Ｊ。
兵器集团公司的晋机集团采用哈尔滨电炭厂开发
１性能表征与分析
的冷模压Ｔ７０７、Ｔ７１５石墨、邢台电炭厂开发的冷模压
１．１物理、力学、热学性能分析
Ｔ７１１石墨，作为小型火箭弹ＳＲＭ的喉衬材料，也属于
第二代喉衬材料。
石墨材料性能表征是其工程应用的前提，表１列
出了国内外喉衬用石墨材料的常规性能［２－６］。
成都炭素有限公司开发的等静压成型的各向同性
表１国内外喉衬用石墨材料的物理、力学、热学性能
Ｔａｂｌｅ １ Ｐｈｙｓｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ
１．１．１影响石墨材料的性能的主要因素 由表１可看出，石墨材料的性能与原料骨料、配料
・－－——
５５５・－・——
２０１５年８月 固体火箭技术 第３８卷
颗粒度组成、成型工艺方法及石墨化处理温度等４大
要素密切相关。
（１）原料骨料性能的影响
理想石墨单晶的各向异性极强，在ａ、ｂ方向低温
下的热膨胀系数为负值，在４００℃以上才表现出膨胀，
其数值也仅为１．０—１．５×１０ Ｋ～；而在ｃ向其热膨胀系
数竟高达２８×１０咱Ｋ～。多晶石墨材料的热膨胀系数
要比单晶低得多，这主要归因为晶体择优取向程度以
及晶体间空隙容纳晶体Ｃ向膨胀的能力。
国内喉衬用石墨材料的骨料大多选用低热膨胀系
数、低灰分的釜式０１５油焦和延迟焦，而不选用灰分含
量较高、热膨胀系数较大，且弹性模量高的沥青焦。这
在Ｔ７０４石墨研制初期有过深刻的教训，采用加４０％
沥青焦的ＳＭ６石墨喉衬，在地面热试车中，喉衬发生
了灾难性碎裂 ，见图１。
图１ ＳＭ６高密高强石墨碎裂状态
Ｆｉｇ．１ Ｈｅａｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｗｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ
（２）配料颗粒度组成的影响
石墨材料配料中，最大颗粒度对其常规性能和使
用功能也有较大影响。粗粒级和中粒级油焦骨料有较
多的孔隙，可降低石墨材料的热膨胀系数和吸收热应
变，减少破裂程度。
（３）成型工艺方法的影响
石墨晶体的固有特性，使其力学、热学性能呈现各
向异性特征。采用挤压成型工艺，物料行程最长，颗粒
择优取向排列明显，颗粒度也较粗，石墨材料的各向异
性最强；模压成型工艺次之，石墨材料的各向异性降
低；冷等静压成型工艺，颗粒度减小，可获得各向同性
的石墨材料。
（４）石墨化处理温度的影响
众所周知，石墨材料生产的石墨化工序是一个关
键工序，它对最终石墨材料的物理、力学、热学性能起
主要作用。国内外喉衬用石墨材料都采用了较高的石
墨化温度，Ｇｒａｐｈｎｏｌ石墨的石墨化温度甚至达到
３ ２００℃。高石墨化温度，使石墨化程度增加、晶体长
大，ｃ向层间距缩小，可造成更多的晶间空隙，从而扩
大了热膨胀的吸收源。
１．１．２常规性能的对比分析
由表１可看出：
（１）国内与国外喉衬用石墨材料相比较，其力学
．．．——
５５６．．．——
性能及拉伸断裂应变值仍偏低，这是与国外最大的差
距。石墨材料是由骨料颗粒和高孔隙的粘接剂材料组
成的，在混捏过程中，粘接剂．骨料的质量比在局部会
有差异，在粘接剂中存在较多的孔隙。由于石墨材料
的结构特点，因此骨料及粘接剂混捏的均匀性及配比
的合理性和其各自的特性，都直接影响了石墨材料的
力学和热学性能。
Ｔ７０４、Ｔ７０５石墨粘接剂采用硫改性煤沥青，硫能
使高软化点沥青在较低温度下具有好的流变性，并因
硫的作用，沥青在较低的温度下就转变为稳定的碳，从
而可获得高残炭值，同时还能改善石墨的成型工艺。
但硫改性煤沥青在石墨化过程中，由于硫的逸出而导
致残炭的孔隙较多，因此其粘接强度较低，以及延迟焦
的自身强度较低，这是与国外石墨差距的主要原因。
另外，国内石墨材料拉伸强度试样的标准，工作段
直径为 ６ ｍｍ；而美国ＡＳＴＭ拉伸强度试样工作段直
径为 ９．５２ ｍｍ，其截面积相差４２．８８ ｍｍ ，其执行标
准不同，无可比性基础，应与国际测试标准接轨，建立
可比性的基础。
（２）国内外喉衬用石墨材料的物理、热学性能基
本相当。
１．２高温力学性能分析
石墨材料耐高温的特性；一是升华温度高；二是力
学性能随温度的升高而增大，在２ ５００ ｏＣ左右达到峰
值。这与Ｃ／Ｃ复合材料相同，是其他热结构材料所无
法比拟的。图２及表２列出了石墨材料拉伸强度随温
度的变化关系。
（ａ）ＫＳ．８高强石墨
２６ｏ ５２０ ８ ５ １凹３ １３７１ １６４８ １９２６ ２ｚ ２４８２
温度／℃
（ｂ）Ｇｒａｐｈｎｏｌ石墨
图２石墨拉伸强度与温度的关系
ｉＦｇ．２ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｎｓｎｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｆｏｒ ＫＳ・８ ａｎｄ Ｇｒａｐｈｎｏｌ
跎
２０１５年８月 苏君明，等：喉衬用石墨材料的性能和功能评价 第４期
由图２及表２可见：
提高３倍以上。
（２）石墨材料高温力学性能提高的原因：石墨晶
体固有特性，碳的升华热高达１７０ ｋａｌ／ｍｏｌ，面内碳原
子结合牢固；高温状态下，石墨材料内部缺陷微裂纹等
（１）高温状态下，石墨材料拉伸强度均随温度的
升高而增大，但各种石墨材料仍有差异，ＫＳ一８石墨的
拉伸强度随温度的变化关系，在２ ５００℃时达到峰值，
径向提高１０８％，轴向提高１１３％；ＡＴＪ—Ｓ石墨在
２ ４８５℃时，其拉伸强度提高４０％左右，弯曲强度提高
７０％左右，压缩强度提高１００％左右，而拉伸断裂应变
闭合、钝化；高温状态下，石墨材料残余热应力松弛消
除；高温状态下，石墨材料韧性提高，断裂应变由室温
状态下的０．２％～Ｏ．５％提高到１％一２．２％范围内。
表２ Ａ＇ｒＪ．Ｓ石墨力学性能与温度的关系
Ｔａｂｌｅ ２ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｏｒ ＡＴＪ－Ｓ
１．３热学性能分析
当，并遵循石墨材料热导率随温度的升高呈下降趋势；
热膨胀系数随温度的升高而增大的规律不变，并因石 石墨材料的热学性能是材料应用的基础数据，也
是结构设计进行热应力计算与分析的必要参数。图３
给出了喉衬用石墨材料热导率、热膨胀系数与温度的
关系。
墨晶体的各向异性特征而呈现各向异性特征，等静压
的各向同性石墨除外。
２石墨喉衬功能评价
２．１抗热冲击性能评价
抗热冲击性能标志着喉衬功能材料的综合水平，
结构的完整性直接影响到ＳＲＭ的成败，在喉衬材料的
诸功能因素中占据第一位，其权重为５０％。
抗热冲击性能的表征难度很大，既与材料的力学、
热学性能有关，又与喉衬结构形式和尺寸有关，并受喷
管高温环境条件（燃气温度、压力、流量）的制约。因
此，很难用数据定量评价，必须通过全尺寸发动机热试
车验证和飞行试验考核，其结果见表３。
表３喉衬用石墨材料全尺寸ＳＲＭ热试车结果
Ｔａｂｌｅ ３ Ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｔｈｒｏａｔ－ｉｎｓｅｒｔ ａｆｔｅｒ
ｆｕｌｌ－ｓｉｚｅ ＳＲＭ ｌｉ而喀ｔｅｓｔ
温度／Ｋ
（ｂ）热膨胀系数
图３热导率、热膨胀系数与温度的关系
Ｆｉｇ．３ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ＴＥＣ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ
ｗｉｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｏｒ ｇｒａｐｈｉｔｅ
由图３可见，喉衬用石墨材料选用导热性能好，易
石墨化及热膨胀系数小的石油延迟焦作为骨料；石墨
注：１）ＳＭ１最大粒度Ｏ．１５ ｒａｍ；２）ＳＭ５加２５％沥青焦。
化处理在２ ５００－３ ２００ ｏＣ的较高范围内；材料密度也
控制在１．７２～１．９１ ｇ／ｃｍ 范围内。因此，国内外喉衬
用石墨材料的热导率和热膨胀系数等热学性能基本相
为了鉴别所筛选喉衬材料抗热冲击性能的优劣，
通常用式（１）和式（２）表征：
・—－——
５５７－・－——
２０１５年８月 固体火箭技术 第３８卷
＝
（１）
变破坏。表４列出了石墨材料的抗热冲击性能计算
值。由表３、表４可看出：
（１）经全尺寸ＳＲＭ热试车考核，ＫＳ一８石墨材料的
式中ＴＳＲ为热应力因子； 为拉伸强度；Ｋ为热导
ＴＳＰ：Ｋ
率；Ｅ为弹性模量； 为热膨胀系数。
ｅ （２）
抗热冲击能力最好，属于第一档次；而１＿７ｏ４、Ｔ７０５石
墨次之，属于第二档次。这是因为ＫＳ一８石墨配料的最
大颗粒度为１．２ ｍｍ，属于粗粒级石墨，而Ｔ７０４、Ｔ７０５
式中ＴＳＰ为热冲击参数；占为拉伸断裂应变。
评价材料抗热冲击性能的一个办法是测定相应的
常规性能，用计算方法来确定热应力因子＿８］。热应力
因子与材料的拉伸强度及热导率成正比，而与弹性模
石墨配料的最大颗粒度为０．５ｍｍ，属于中粒级石墨。
其颗粒度越大，可吸收更大的热应变 Ｊ，减轻破坏程
度。但计算的热应力因子数值ｒＩ７０４、Ｔ７０５石墨材料
却比ＫＳ一８石墨材料高得多。因此，热应力因子的计
算，仅供筛选喉衬材料优劣的参考，实际工况下的抗热
冲击能力必须经全尺寸发动机热试车验证和飞行试验
考核。
量、热膨胀系数成反比关系。这是因为拉伸强度高，可
抵抗较大的热应力而不破坏；高的热导率使材料内部
持有最低的温度梯度，从而使热应力减小到较低的程
度。热膨胀系数小，使之能在一定的温度下减小应变；
弹性模量低，可减少由热应变而产生的应力。
（２）Ｔ７０５、ＣＤＫ一２０石墨材料的热应力因子水平，
与国外喉衬通用的ＣＳ３１２、ＡＴＪ、ＲＶＡ石墨材料基本相
当。
文献［３］采用第二种评价材料热结构参数的方
法。由于石墨材料应力／应变关系不遵守虎克定律，非
线性部分代表了因微裂纹，ａ，ｂ面滑动等机理所决定
的非线性变形。为了更确切地说明材料的抗热应力能
力，以断裂应变代替强度和模量比值。热冲击参数与
材料的热导率及断裂应变成正比，而与材料的热膨胀
系数成反比。这是因为脆性石墨材料由热膨胀引起应
（３）文献［３］将替代战斧导弹助推器４ＤＣ／Ｃ喉衬
材料的诸种石墨材料的热结构参数等进行综合评价，
划为３个档次：Ｇｒａｐｈｎｏｌ石墨材料为第一档次；Ｐ一０３、
Ｐ一８１ ８６石墨材料为第二档次；而把喉衬通用的ＡＴＪ、Ｇ一
９０石墨材料划为第三档次。
表４国内外喉衬用石墨材料的抗热冲击性能
Ｔａｂｋ ４ Ｔｈｅｒｍａｌ ｓｈｏｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ
ＷＫＳ．８ １ｖ７０４ １－７０５ ＣＤＷＫ．２０ ＣＳ３１２ ＡＴＪ Ｇ．９０ ＲＶＡ Ｐ ０３ Ｐ一８１８６ Ｇｍｐｈｎｏｌ
性能参数— 一『— 一『— ＿『 — 一『— 一『— — — — —
２．２结构与抗热冲击性能的关系
成整体Ｌ６ ］，造成自然分离面，有助于弥补石墨材料抗
结构设计与材料的应用密切相关，应根据材料的
热冲击性能较差的弱点，减少环向裂纹产生的概率。
文献［３］中，尽管Ｇｒａｐｈｎｏｌ石墨的轴向拉伸强度高达
３９ ＭＰａ，但在战斧导弹助推器的第一发热试车中，高
度仅为８８ ｍｍ的喉衬，仍在下端出现了环形裂纹。当
改成２段结构，从接近最大应变区断开（见图４），随后
的所有热试车（１８发）石墨喉衬都采用两段式结构，全
部获得成功，解决了这个难题。
另一种是在喉衬外型面未得到均匀支撑或与背壁
绝热层间隙过大时，在热试车的瞬间石墨喉衬产生纵
向裂纹。在Ｔ７１５石墨喉衬的热试车中，采用２段粘接
特点，扬长避短，进行合理的设计。石墨材料具有较好
的烧蚀特性，但强度偏低，呈脆性，对缺陷的敏感性强，
结构设计中，应协调好下述２个问题：
（１）热应力问题
喉衬用石墨材料的破坏通常发生在发动机工作初
期，热试车喉衬内壁面直接承受高温（３ ０００ ｃＩ：）、高
压、高速二相流燃气的冲刷。而此时喉衬外壁温度较
低，内外壁瞬时温度差极大，将导致较大的热应力，使
石墨材料断裂。这时往往会发生２种状态：一种是在
喉衬高度方向最大应变区产生环形裂纹，轻者裂纹不
连续，重者断裂成２段。在设计中，采取轴向分段粘接
．．．．——
的石墨喉衬，其粘接剂还未炭化，上段石墨的纵向裂纹
就传播到下段石墨内；细粒级（最大颗粒度０．１５ｍｍ）
５５８．．．——
２０１５年８月 苏君明，等：喉衬用石墨材料的性能和功能评价 第４期
的高密高强石墨喉衬，在热试车的３．４６ Ｓ时，发动机壳
体发生意外爆破，卸下喷管后，石墨喉衬已碎裂成多
块，这些事例都验证了石墨喉衬裂纹是在热试车初期
形成的。
一 一
Ｏ
声波
崩溃
（ａ）国内 （ｂ）国外
图４国内外喉衬的分段结构
Ｆｉｇ．４ Ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆ０ ｇｎ
ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ
（２）热膨胀问题
石墨喉衬的热膨胀问题，在结构设计及喷管装配
中，考虑不周，也是导致发动机失效的原因之一。喉衬
组件与扩张段，收敛段部位预留热膨胀间隙，使喉衬在
高温状态下有膨胀的空间，热应力得到松弛。某ＳＲＭ
的Ｔ７０５石墨喉衬装配过程与其衔接的收敛段、扩张段
部位，轴向间隙接近零位，在热试车中，就出现了喉衬
压坏成近似４５。角的斜裂纹就是佐证。
２．３烧蚀性能评价
烧蚀性能是固体火箭发动机喉衬材料的主要考核
指标，在喉衬材料的诸功能因素中占据第二位，其权重
占３０％，也是石墨材料喉衬研究的热点和难点，烧蚀
又是受到众多因素交互影响的复杂过程。
烧蚀机理主要是推进剂燃烧产物氧化组分（Ｈ：Ｏ、
ＣＯ ）与喉衬内型面发生多相化学反应，而产生的热化
学烧蚀和机械剥蚀双重作用的综合结果。
石墨喉衬烧蚀率与燃气产物氧化组分的浓度、燃
烧室平均工作压强成正比关系；随氧化组分和压强提
高，烧蚀率显著增大，尤其是随燃烧室压强的提高，烧
蚀率几乎呈线性增加。这是因为通过湍流边界层的氧
化性组分质量传递增加和机械剥蚀加大的缘故（见图
５）［１ｏ－１２］。
石墨喉衬烧蚀率还与石墨材料的密度、颗粒组成、
开孔率及材料层间剪切强度等密切相关，尤其与材料
的密度成反比，与开孔率成正比趋势，开孔率越低，其
烧蚀率越小。其典型烧蚀性能见表５。
由表５可看出：
（１） ０４、Ｔ７０５石墨材料具有良好的耐烧蚀性能，
比ＫＳ一８石墨材料提高１倍左右，在燃烧室高压强的
工况下，其耐烧蚀性能略优于国外喉衬用各种石墨材
料；
（２）ＣＤＫ一２０石墨材料的烧蚀性能与Ｔ７１５石墨材
料基本相当；
（３）文献［３］在燃烧室压强为１０ ＭＰａ的工况下，
Ｇｒａｐｈｎｏｌ、Ｐ一８１８６、Ｇ．９０石墨材料的耐烧蚀性能为第一
档次；ＡＴＪ、Ｐ．ｏ３石墨材料为第二档次。
（ａ）国内
一∞／Ⅱ肼）＼糌ｇ
Ｏ ０ ０ ０ ０ Ｏ
７．６ ８．３ ８．９ ９．６ １０．３ ｌ１．００ ｌ１．７ １２．４
压强／ＭＰａ
（ｂ）国外
图５国内外喉衬烧蚀率与压强的关系
ｉＦｇ．５ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｂｌａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｏｒ ｄｏｍｅｓｔｉｃ
ｎａｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ
３存在问题及改进途径
３．１存在问题
（１）修订和完善国军标喉衬用石墨材料的指标体
系
Ｔ７０５石墨材料制定了国军标“火箭喷管用石墨规
范”，ＧＪＢ ３３Ｏ６—９８；１７０７、１＿７ｌｌ石墨材料制定了国军
标“火箭弹喉衬用石墨规范”，ＧＪＢ ５２５４－－２００３。但其
性能指标不完善，缺少对喉衬用石墨材料进行抗热冲
击性能评价的拉伸强度、模量、热导率和热膨胀系数控
制指标。应修订和完善其指标体系，其测试标准也应
与国际接轨，建立性能可比性的基础，为建立共享的喉
衬用石墨材料数据库奠定基础。
（２）加速开发第三代喉衬用石墨材料
材料成本也是选材的重要依据之一，是第三要素，
其权重为２０％。第二代Ｔ７０４、Ｔ７０５石墨材料是２０世
纪６０年代和８０年代开发的喉衬材料成本较高；８０年
代末开发的石墨渗铜材料¨ ，因其石墨基体密度偏
．．．——
５５９．．．——
２０１５年８月 固体火箭技术 第３８卷
低，烧蚀率偏大，满足不了各种小型战术弹高压强
ＳＲＭ喉衬的要求。
墨材料。Ｅｔ本早已将其用于各种ＳＲＭ喉衬中，且成本
比Ｔ７０５石墨材料低，国内ＳＲＭ喉衬设计部门，应协同
等静压成型的各向同性石墨材料，美国将其综合
性能评价为第二档次，优于喉衬通用的ＡＴＪ、Ｇ一９０石
成都炭素有限公司，尽快将ＣＤＫ．２０系列各向同性石
墨材料用作小型战术弹ＳＲＭ的第三代喉衬材料。
表５喉衬用石墨材料的烧蚀性能
Ｔａｂｌｅ ５ Ａｂｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ
３．２喉衬用石墨的改进途径
（１）选择低膨胀系数、易于石墨化的针状焦骨料。
４结束语
经过５５年的艰辛努力和积累，国内喉衬用石墨材
针状石油焦的微观结构决定了其具有最低的热膨胀系
数和易于石墨化的特点¨ ，其生焦又具有高的断裂应
料突破了高密度、低烧蚀率等系列关键技术，实现了从
仿制到自主研发的跨越式发展，满足了航天领域小型
战术弹ＳＲＭ的需求，提升了国内喉衬用石墨材料的自
变值 １５－１８１。选择针状生焦骨料，既可提高石墨材料的
断裂应变值，又可提高热导率和低热膨胀系数，对提升
石墨材料的抗热冲击性能极为有利。
（２）适当放大最大颗粒尺寸。石墨材料的抗热冲
击性能与粒度配方关系密切相关。国外抗热冲击性能
最好的Ｇｒａｐｈｎｏｌ石墨的最大颗粒度为９０ ｍ。因此，
将ＣＤＫ一２０将石墨材料的最大颗粒度由现在的５０ ｍ
放大到１００ Ｉｘｍ左右，应能提升其抗热冲击性能。
主保障能力和军贸产品的国际竞争力。但还存在修订
和完善国军标指标体系及加速开发第三代喉衬用石墨
材料的问题。从油焦骨料优选、适当放大最大颗粒尺
寸及提高石墨化温度和密度的适宜控制着手，仍是重
点的研究方向。
参考文献：
［１］Ｃｈａｓｅ Ｃ Ａ，Ｋｕｔｋｕｓ Ｍ Ｊ．Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｏｆ ａｐｏｇｅｅ
ＳＲＭ［Ｒ］．ＡＩＡＡ ７５．１２７６．
（３）提高石墨化度。将ＣＤＫ一２０石墨材料的石墨
化温度由２ ８００℃提高到２ ９００—３ ０００ ｏＣ范围内。可
显著降低热膨胀系数，提高热导率，降低弹性模量。当
然也会降低拉伸强度，但可在石墨化后增加浸渍沥青／
焙烧的工序加以弥补。从热应力因子４个参数的综合
比较，提高石墨化温度能够提升石墨喉衬的抗热冲击
性能。
［２］Ｍａｎｔｅｌ Ｌ．Ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］．１９６８．
［３］ Ｗｈｉｔｎｅｙ Ｄ Ｅ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎ ａａｌｔｅｒｎａｔｅ ｎｏｚｚｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ＭＫ
１ １ １ ｔｏｍａｈａｅｋ ｂｏｏｓｔｅｒ ｒｏｃｋｅｔ ｍｏｔｏｒ［Ｒ］．ＡＩＡＡ ９２—３５５５．
［４］ 苏君明．火箭喷管多晶硅石墨材料的应用研究［ｃ］／／第
１８届炭・石墨材料学术会议论文集．西安，２０００：４０９－４１４．
（４）密度的适度控制。石墨材料密度与烧蚀性能
成反比关系，随石墨密度的提高，其烧蚀率呈下降趋
［５］ 赵志平．火箭喷管用ｒＩ７０４，Ｔ７０５高密高强石墨材料的研
制［ｃ］／／第２０届炭・石墨材料学术会论文集．成都，
２００６：２０８ ２１２．
势；但随石墨密度的提高，其热膨胀系数也会增大，影
响到其抗热冲击性能。其密度控制在１．８０～１．８８ ｇ／
ａｍ 范围内较适宜。
［６］ 苏君明．ｒＩ７ｏ４高密高强石墨的静态与动态性能剖析
［Ｃ］ｌｌ第ｌ２届炭・石墨材料学术会议论文集．成都，
１９８８：２２４．２４３．
２０１５年８月 苏君明，等：喉衬用石墨材料的性能和功能评价 第４期
（上接第５５３页）
６结论
（１）对９种结构参数的薄弱区结构在ｌ１种拉弯比
例工况下进行了有限元分析。结果显示，薄弱区中间
［２］
Ｂｏｅｇｌｉｎ Ｐ Ｈ．Ｐｌａｔｅ—ｇｌａｓｓ ｆｉｔｔｅｄ ｗｉｔｈ ａｎ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ—ｃｕｔｔｉｎｇ ｄｅ—
ｖｉｃｅ『Ｐ］．ＵＳ Ｐａｔ．４３３３３８１．１９８２．
［３］ Ｂｅｌｌ Ｒ Ｅ．Ｍｉｓｓｉｌｅ ｗｅａｐｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆＰ １．ＵＳ Ｐａｔ．５２３９９０９，
１９９２．
胶层主要承担拉伸载荷作用，加贴层主要承担弯曲载
荷作用。
（２）拟合了薄弱区结构强度包络线，发现薄弱区
参数对结构的承载能力有较大的影响。搭接长度主要
影响结构的剪切强度，且在５～９ ｍｍ范围内，搭接长度
［４］
Ｋｒｏｌ Ｕ Ｂ．Ｆｒａｎｇｉｂｌｅ ｃｏｖｅｒ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｆｏｒ ｍｉｓｓｉｌｅ ｌａｕｎｃｈｅｒｓ
［Ｐ］．ＵＳ Ｐａｔ．３７４２８１４，１９７１．
［５］
宋桂明，周玉．复合材料设计的回顾与展望［Ｊ］．固体火
箭技术，１９９７，２０（４）：５３—６０．
［６］ 王晓洁，梁国正，湿热老化对高性能复合材料性能的影
增量与结构强度基本成线性关系。搭接厚度主要影响
结构拉伸强度，在０．１～Ｏ．２ ｍｍ阶段，对承载能力的增
幅大于０．２～０．４ ｍｍ阶段。因此，认为搭接厚度对强度
控制存在一定的极限值。
（３）建立薄弱区强度和参数的关系，提出了一种
参数化设计方法，并对参数化设计方法设计的６个易
碎盖进行实验验证。实验结果与理论设计破坏值相差
ｌ０％左右，验证了设计方法的可行性。
响［Ｊ］．固体火箭技术，２００６，２９（３）：３０１—３０４．
ｃｋｅｎｓ Ｊ Ｒ，Ｔａｃｋ Ｗ Ｔ．Ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ａ１一Ｃｕ—Ｌｉａｌｌｏｙｓ ｆｏｒ
［７］
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金钊，陈思庄．航空导弹垂直发射系统发展概况［Ｊ］．航
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参考文献：
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［１１］
沈观林．复合材料力学［Ｍ］．北京：清华大学出版社，
１９９１：６９—７１．
（编辑：薛永利）
一
５６１—
2024年5月15日发(作者：万阳朔)
固体火箭技术
第３８卷第４期
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｒｏｃｋｅｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．４ ２０１５
喉衬用石墨材料的性能和功能评价①
苏君明，谢乔，冯婧，朱艳，张明，肖志超
７１００２５） （西安航天复合材料研究所，西安超码科技有限公司，西安
摘要：评价了国内固体火箭发动机喉衬中成功应用的第一代高强石墨、第二代高密高强石墨、第三代各向同性石墨的
物理、力学、热学等材料基本性能和抗热冲击、耐烧蚀等应用功能，并与国外相应的石墨材料性能与功能进行了分析对比，
为建立喉衬用石墨材料数据库奠定了基础。揭示了石墨材料拉伸强度、热导率、弹性模量及热膨胀系数与抗热冲击功能的
关联度。指出适当放大配料方的最大颗粒度，提高石墨化温度和适宜控制石墨材料的密度范围，是提高各向同性石墨材料
综合性能的重点改进方向。
关键词：固体火箭发动机喉衬；石墨；材料基本性能；使用功能；评价
中图分类号：Ｖ２５８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６．２７９３（２０１５）０５５４．０８
ＤＯＩ：１０．７６７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－２７９３．２０１５．０４．０２０
Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ
ｇｒａｐｈｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ
ＳＵ Ｊｕｎ－ｍｉｎｇ，ＸＩＥ Ｑｉａｏ，ＦＥＮＧ Ｊｉｎｇ，ＺＨＵ Ｙａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎｇ，ＸＩＡＯ Ｚｈｉ—ｃｈａｏ
（Ｘｉ＇ａｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ＂ａｎ Ｃｈａｏｍａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００２５）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｖａｌｕａｔｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｈｙｓｉｃａｌ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｔｈｅｎ ａｎａｌｙ一
８ｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｈｏｃｋ ｒｅｓｉｓｔｎｃｅ ａｎｄ ａｂｌａｔｉａｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｈｉｓｈ・・ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｇｒａｐｈ—－
ｉｔｅ，ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｈｉｓｈ－ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｓｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｇｒａｐｈｉｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｔｒｏｐｙ ｇｒａｐｈｉｔｅ，ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ＳＵＣ—
ｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｒｏｃｋｅｔ ｍｏｔｏｒ ｉｎ Ｃｈｉｎａ．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ａ—
ｂｏｖｅ－ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｓｉｍｉｌａｒ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｌａｙ ａ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ａ ｄａｔｂａａｓｅ ｏｆ ｔｈｒｏａｔ・・ｉｎｓｅｒｔ—
ｕｓｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａ１．ｈｅ ｃｏｒｒｅｌＴａｔｉｏｎ ａｍｏｎｇ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｍｏｄｕｌｕｓ，ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ
ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｈｏｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅｖｅａｌｅｄ，Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ，ｒａｉｓｉｎｇ
ｒａｐｈｉｇｔｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｒｇａｐｈｉｔｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅ ｒｅ ａｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｔｏ ｅｎ－
ｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｉｓｏｔｒｏｐｙ ｇｒａｐｈｉｔｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｒｏｃｋｅｔ ｍｏｔｏｒ；ｇｒａｐｈｉｔｅ；ｂａｓｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ；ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ
Ｏ 引言
属所、吉林炭素厂、西安航天复合材料所开发了第一代
（Ｓ一８高强石墨喉衬。Ｋｓ－８石墨材料是仿制前苏
石墨材料具有轻质、耐高温、抗烧蚀等独特性能，
渗硅ｌ
是小型火箭弹固体火箭发动机（简称ＳＲＭ）喉衬的首
联的Ｃ一１７８石墨，并在吉林炭素厂批生产，解决了研制
选材料。早在１９４７年，美国发射的固体探空火箭就成
过程因渗硅层过厚而产生的热裂问题。为配合航天科
功使用了石墨喉衬，以后陆续开发了以ＡＴＪ高强石墨
技四院ＳＲＭ由基础研究转向型号研制，奠定了坚实的
为代表的第一代喉衬材料，以Ｇ一９ｏ高密高强石墨为代
喉衬材料基础，已成功应用到国内第一颗人造地球卫
表的第二代喉衬材料¨ Ｊ，以Ｇｒａｐｈｎｏｌ各向同性石墨
星——东方红一号的末级ＳＲＭ上。
为代表的第三代喉衬材料 Ｊ。
为适应中能固体推进剂发展的需求，提高石墨喉
２Ｏ世纪６０年代初期，国内提出了石墨与难熔金
衬的耐烧蚀性能，２０世纪６０年代中期，由中科院山西
属并举的ＳＲＭ喉衬材料研究发展计划。由中科院金
煤化所、哈尔滨电炭所、西安航天复合材料所自主开发
① 收稿日期：２０１５—０１－２１；修回日期：２０１５—４－０２７。
作者简介：苏君明（１９３８一），男，教授级高工，从事Ｃ／Ｃ喉衬、刹车盘的研究与开发以及石墨喉衬材料的应用研究。
・－－－——
５５４・－－－——
２０１５年８月 苏君明，等：喉衬用石墨材料的性能和功能评价 第４期
了第二代高密高强Ｔ７０４石墨。８０年代初，由哈尔滨
ＣＤＫ．２０石墨，作为小型火箭弹ＳＲＭ的第三代喉衬材
电炭所和西安航天复合材料所开发了Ｔ７０５石墨，均在
料，正与航天科技集团公司七院进行应用研究。
哈尔滨电炭厂批生产。该石墨采用中粒级配料方、硫
本文重点评述了国内外喉衬用石墨材料的常规性
并提出存
改性煤沥青粘接剂、热模压成型工艺及约束焙烧等创
能及其使用功能，为建立数据库奠定了基础，
新工艺，大幅提高了石墨材料的成品率和耐烧蚀性能，
在的问题和改进途径。
已成功应用到各种小型战术弹的ＳＲＭ喉衬中 Ｊ。
兵器集团公司的晋机集团采用哈尔滨电炭厂开发
１性能表征与分析
的冷模压Ｔ７０７、Ｔ７１５石墨、邢台电炭厂开发的冷模压
１．１物理、力学、热学性能分析
Ｔ７１１石墨，作为小型火箭弹ＳＲＭ的喉衬材料，也属于
第二代喉衬材料。
石墨材料性能表征是其工程应用的前提，表１列
出了国内外喉衬用石墨材料的常规性能［２－６］。
成都炭素有限公司开发的等静压成型的各向同性
表１国内外喉衬用石墨材料的物理、力学、热学性能
Ｔａｂｌｅ １ Ｐｈｙｓｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ
１．１．１影响石墨材料的性能的主要因素 由表１可看出，石墨材料的性能与原料骨料、配料
・－－——
５５５・－・——
２０１５年８月 固体火箭技术 第３８卷
颗粒度组成、成型工艺方法及石墨化处理温度等４大
要素密切相关。
（１）原料骨料性能的影响
理想石墨单晶的各向异性极强，在ａ、ｂ方向低温
下的热膨胀系数为负值，在４００℃以上才表现出膨胀，
其数值也仅为１．０—１．５×１０ Ｋ～；而在ｃ向其热膨胀系
数竟高达２８×１０咱Ｋ～。多晶石墨材料的热膨胀系数
要比单晶低得多，这主要归因为晶体择优取向程度以
及晶体间空隙容纳晶体Ｃ向膨胀的能力。
国内喉衬用石墨材料的骨料大多选用低热膨胀系
数、低灰分的釜式０１５油焦和延迟焦，而不选用灰分含
量较高、热膨胀系数较大，且弹性模量高的沥青焦。这
在Ｔ７０４石墨研制初期有过深刻的教训，采用加４０％
沥青焦的ＳＭ６石墨喉衬，在地面热试车中，喉衬发生
了灾难性碎裂 ，见图１。
图１ ＳＭ６高密高强石墨碎裂状态
Ｆｉｇ．１ Ｈｅａｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｗｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ
（２）配料颗粒度组成的影响
石墨材料配料中，最大颗粒度对其常规性能和使
用功能也有较大影响。粗粒级和中粒级油焦骨料有较
多的孔隙，可降低石墨材料的热膨胀系数和吸收热应
变，减少破裂程度。
（３）成型工艺方法的影响
石墨晶体的固有特性，使其力学、热学性能呈现各
向异性特征。采用挤压成型工艺，物料行程最长，颗粒
择优取向排列明显，颗粒度也较粗，石墨材料的各向异
性最强；模压成型工艺次之，石墨材料的各向异性降
低；冷等静压成型工艺，颗粒度减小，可获得各向同性
的石墨材料。
（４）石墨化处理温度的影响
众所周知，石墨材料生产的石墨化工序是一个关
键工序，它对最终石墨材料的物理、力学、热学性能起
主要作用。国内外喉衬用石墨材料都采用了较高的石
墨化温度，Ｇｒａｐｈｎｏｌ石墨的石墨化温度甚至达到
３ ２００℃。高石墨化温度，使石墨化程度增加、晶体长
大，ｃ向层间距缩小，可造成更多的晶间空隙，从而扩
大了热膨胀的吸收源。
１．１．２常规性能的对比分析
由表１可看出：
（１）国内与国外喉衬用石墨材料相比较，其力学
．．．——
５５６．．．——
性能及拉伸断裂应变值仍偏低，这是与国外最大的差
距。石墨材料是由骨料颗粒和高孔隙的粘接剂材料组
成的，在混捏过程中，粘接剂．骨料的质量比在局部会
有差异，在粘接剂中存在较多的孔隙。由于石墨材料
的结构特点，因此骨料及粘接剂混捏的均匀性及配比
的合理性和其各自的特性，都直接影响了石墨材料的
力学和热学性能。
Ｔ７０４、Ｔ７０５石墨粘接剂采用硫改性煤沥青，硫能
使高软化点沥青在较低温度下具有好的流变性，并因
硫的作用，沥青在较低的温度下就转变为稳定的碳，从
而可获得高残炭值，同时还能改善石墨的成型工艺。
但硫改性煤沥青在石墨化过程中，由于硫的逸出而导
致残炭的孔隙较多，因此其粘接强度较低，以及延迟焦
的自身强度较低，这是与国外石墨差距的主要原因。
另外，国内石墨材料拉伸强度试样的标准，工作段
直径为 ６ ｍｍ；而美国ＡＳＴＭ拉伸强度试样工作段直
径为 ９．５２ ｍｍ，其截面积相差４２．８８ ｍｍ ，其执行标
准不同，无可比性基础，应与国际测试标准接轨，建立
可比性的基础。
（２）国内外喉衬用石墨材料的物理、热学性能基
本相当。
１．２高温力学性能分析
石墨材料耐高温的特性；一是升华温度高；二是力
学性能随温度的升高而增大，在２ ５００ ｏＣ左右达到峰
值。这与Ｃ／Ｃ复合材料相同，是其他热结构材料所无
法比拟的。图２及表２列出了石墨材料拉伸强度随温
度的变化关系。
（ａ）ＫＳ．８高强石墨
２６ｏ ５２０ ８ ５ １凹３ １３７１ １６４８ １９２６ ２ｚ ２４８２
温度／℃
（ｂ）Ｇｒａｐｈｎｏｌ石墨
图２石墨拉伸强度与温度的关系
ｉＦｇ．２ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｎｓｎｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｆｏｒ ＫＳ・８ ａｎｄ Ｇｒａｐｈｎｏｌ
跎
２０１５年８月 苏君明，等：喉衬用石墨材料的性能和功能评价 第４期
由图２及表２可见：
提高３倍以上。
（２）石墨材料高温力学性能提高的原因：石墨晶
体固有特性，碳的升华热高达１７０ ｋａｌ／ｍｏｌ，面内碳原
子结合牢固；高温状态下，石墨材料内部缺陷微裂纹等
（１）高温状态下，石墨材料拉伸强度均随温度的
升高而增大，但各种石墨材料仍有差异，ＫＳ一８石墨的
拉伸强度随温度的变化关系，在２ ５００℃时达到峰值，
径向提高１０８％，轴向提高１１３％；ＡＴＪ—Ｓ石墨在
２ ４８５℃时，其拉伸强度提高４０％左右，弯曲强度提高
７０％左右，压缩强度提高１００％左右，而拉伸断裂应变
闭合、钝化；高温状态下，石墨材料残余热应力松弛消
除；高温状态下，石墨材料韧性提高，断裂应变由室温
状态下的０．２％～Ｏ．５％提高到１％一２．２％范围内。
表２ Ａ＇ｒＪ．Ｓ石墨力学性能与温度的关系
Ｔａｂｌｅ ２ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｏｒ ＡＴＪ－Ｓ
１．３热学性能分析
当，并遵循石墨材料热导率随温度的升高呈下降趋势；
热膨胀系数随温度的升高而增大的规律不变，并因石 石墨材料的热学性能是材料应用的基础数据，也
是结构设计进行热应力计算与分析的必要参数。图３
给出了喉衬用石墨材料热导率、热膨胀系数与温度的
关系。
墨晶体的各向异性特征而呈现各向异性特征，等静压
的各向同性石墨除外。
２石墨喉衬功能评价
２．１抗热冲击性能评价
抗热冲击性能标志着喉衬功能材料的综合水平，
结构的完整性直接影响到ＳＲＭ的成败，在喉衬材料的
诸功能因素中占据第一位，其权重为５０％。
抗热冲击性能的表征难度很大，既与材料的力学、
热学性能有关，又与喉衬结构形式和尺寸有关，并受喷
管高温环境条件（燃气温度、压力、流量）的制约。因
此，很难用数据定量评价，必须通过全尺寸发动机热试
车验证和飞行试验考核，其结果见表３。
表３喉衬用石墨材料全尺寸ＳＲＭ热试车结果
Ｔａｂｌｅ ３ Ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｔｈｒｏａｔ－ｉｎｓｅｒｔ ａｆｔｅｒ
ｆｕｌｌ－ｓｉｚｅ ＳＲＭ ｌｉ而喀ｔｅｓｔ
温度／Ｋ
（ｂ）热膨胀系数
图３热导率、热膨胀系数与温度的关系
Ｆｉｇ．３ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ＴＥＣ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ
ｗｉｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｏｒ ｇｒａｐｈｉｔｅ
由图３可见，喉衬用石墨材料选用导热性能好，易
石墨化及热膨胀系数小的石油延迟焦作为骨料；石墨
注：１）ＳＭ１最大粒度Ｏ．１５ ｒａｍ；２）ＳＭ５加２５％沥青焦。
化处理在２ ５００－３ ２００ ｏＣ的较高范围内；材料密度也
控制在１．７２～１．９１ ｇ／ｃｍ 范围内。因此，国内外喉衬
用石墨材料的热导率和热膨胀系数等热学性能基本相
为了鉴别所筛选喉衬材料抗热冲击性能的优劣，
通常用式（１）和式（２）表征：
・—－——
５５７－・－——
２０１５年８月 固体火箭技术 第３８卷
＝
（１）
变破坏。表４列出了石墨材料的抗热冲击性能计算
值。由表３、表４可看出：
（１）经全尺寸ＳＲＭ热试车考核，ＫＳ一８石墨材料的
式中ＴＳＲ为热应力因子； 为拉伸强度；Ｋ为热导
ＴＳＰ：Ｋ
率；Ｅ为弹性模量； 为热膨胀系数。
ｅ （２）
抗热冲击能力最好，属于第一档次；而１＿７ｏ４、Ｔ７０５石
墨次之，属于第二档次。这是因为ＫＳ一８石墨配料的最
大颗粒度为１．２ ｍｍ，属于粗粒级石墨，而Ｔ７０４、Ｔ７０５
式中ＴＳＰ为热冲击参数；占为拉伸断裂应变。
评价材料抗热冲击性能的一个办法是测定相应的
常规性能，用计算方法来确定热应力因子＿８］。热应力
因子与材料的拉伸强度及热导率成正比，而与弹性模
石墨配料的最大颗粒度为０．５ｍｍ，属于中粒级石墨。
其颗粒度越大，可吸收更大的热应变 Ｊ，减轻破坏程
度。但计算的热应力因子数值ｒＩ７０４、Ｔ７０５石墨材料
却比ＫＳ一８石墨材料高得多。因此，热应力因子的计
算，仅供筛选喉衬材料优劣的参考，实际工况下的抗热
冲击能力必须经全尺寸发动机热试车验证和飞行试验
考核。
量、热膨胀系数成反比关系。这是因为拉伸强度高，可
抵抗较大的热应力而不破坏；高的热导率使材料内部
持有最低的温度梯度，从而使热应力减小到较低的程
度。热膨胀系数小，使之能在一定的温度下减小应变；
弹性模量低，可减少由热应变而产生的应力。
（２）Ｔ７０５、ＣＤＫ一２０石墨材料的热应力因子水平，
与国外喉衬通用的ＣＳ３１２、ＡＴＪ、ＲＶＡ石墨材料基本相
当。
文献［３］采用第二种评价材料热结构参数的方
法。由于石墨材料应力／应变关系不遵守虎克定律，非
线性部分代表了因微裂纹，ａ，ｂ面滑动等机理所决定
的非线性变形。为了更确切地说明材料的抗热应力能
力，以断裂应变代替强度和模量比值。热冲击参数与
材料的热导率及断裂应变成正比，而与材料的热膨胀
系数成反比。这是因为脆性石墨材料由热膨胀引起应
（３）文献［３］将替代战斧导弹助推器４ＤＣ／Ｃ喉衬
材料的诸种石墨材料的热结构参数等进行综合评价，
划为３个档次：Ｇｒａｐｈｎｏｌ石墨材料为第一档次；Ｐ一０３、
Ｐ一８１ ８６石墨材料为第二档次；而把喉衬通用的ＡＴＪ、Ｇ一
９０石墨材料划为第三档次。
表４国内外喉衬用石墨材料的抗热冲击性能
Ｔａｂｋ ４ Ｔｈｅｒｍａｌ ｓｈｏｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ
ＷＫＳ．８ １ｖ７０４ １－７０５ ＣＤＷＫ．２０ ＣＳ３１２ ＡＴＪ Ｇ．９０ ＲＶＡ Ｐ ０３ Ｐ一８１８６ Ｇｍｐｈｎｏｌ
性能参数— 一『— 一『— ＿『 — 一『— 一『— — — — —
２．２结构与抗热冲击性能的关系
成整体Ｌ６ ］，造成自然分离面，有助于弥补石墨材料抗
结构设计与材料的应用密切相关，应根据材料的
热冲击性能较差的弱点，减少环向裂纹产生的概率。
文献［３］中，尽管Ｇｒａｐｈｎｏｌ石墨的轴向拉伸强度高达
３９ ＭＰａ，但在战斧导弹助推器的第一发热试车中，高
度仅为８８ ｍｍ的喉衬，仍在下端出现了环形裂纹。当
改成２段结构，从接近最大应变区断开（见图４），随后
的所有热试车（１８发）石墨喉衬都采用两段式结构，全
部获得成功，解决了这个难题。
另一种是在喉衬外型面未得到均匀支撑或与背壁
绝热层间隙过大时，在热试车的瞬间石墨喉衬产生纵
向裂纹。在Ｔ７１５石墨喉衬的热试车中，采用２段粘接
特点，扬长避短，进行合理的设计。石墨材料具有较好
的烧蚀特性，但强度偏低，呈脆性，对缺陷的敏感性强，
结构设计中，应协调好下述２个问题：
（１）热应力问题
喉衬用石墨材料的破坏通常发生在发动机工作初
期，热试车喉衬内壁面直接承受高温（３ ０００ ｃＩ：）、高
压、高速二相流燃气的冲刷。而此时喉衬外壁温度较
低，内外壁瞬时温度差极大，将导致较大的热应力，使
石墨材料断裂。这时往往会发生２种状态：一种是在
喉衬高度方向最大应变区产生环形裂纹，轻者裂纹不
连续，重者断裂成２段。在设计中，采取轴向分段粘接
．．．．——
的石墨喉衬，其粘接剂还未炭化，上段石墨的纵向裂纹
就传播到下段石墨内；细粒级（最大颗粒度０．１５ｍｍ）
５５８．．．——
２０１５年８月 苏君明，等：喉衬用石墨材料的性能和功能评价 第４期
的高密高强石墨喉衬，在热试车的３．４６ Ｓ时，发动机壳
体发生意外爆破，卸下喷管后，石墨喉衬已碎裂成多
块，这些事例都验证了石墨喉衬裂纹是在热试车初期
形成的。
一 一
Ｏ
声波
崩溃
（ａ）国内 （ｂ）国外
图４国内外喉衬的分段结构
Ｆｉｇ．４ Ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆ０ ｇｎ
ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ
（２）热膨胀问题
石墨喉衬的热膨胀问题，在结构设计及喷管装配
中，考虑不周，也是导致发动机失效的原因之一。喉衬
组件与扩张段，收敛段部位预留热膨胀间隙，使喉衬在
高温状态下有膨胀的空间，热应力得到松弛。某ＳＲＭ
的Ｔ７０５石墨喉衬装配过程与其衔接的收敛段、扩张段
部位，轴向间隙接近零位，在热试车中，就出现了喉衬
压坏成近似４５。角的斜裂纹就是佐证。
２．３烧蚀性能评价
烧蚀性能是固体火箭发动机喉衬材料的主要考核
指标，在喉衬材料的诸功能因素中占据第二位，其权重
占３０％，也是石墨材料喉衬研究的热点和难点，烧蚀
又是受到众多因素交互影响的复杂过程。
烧蚀机理主要是推进剂燃烧产物氧化组分（Ｈ：Ｏ、
ＣＯ ）与喉衬内型面发生多相化学反应，而产生的热化
学烧蚀和机械剥蚀双重作用的综合结果。
石墨喉衬烧蚀率与燃气产物氧化组分的浓度、燃
烧室平均工作压强成正比关系；随氧化组分和压强提
高，烧蚀率显著增大，尤其是随燃烧室压强的提高，烧
蚀率几乎呈线性增加。这是因为通过湍流边界层的氧
化性组分质量传递增加和机械剥蚀加大的缘故（见图
５）［１ｏ－１２］。
石墨喉衬烧蚀率还与石墨材料的密度、颗粒组成、
开孔率及材料层间剪切强度等密切相关，尤其与材料
的密度成反比，与开孔率成正比趋势，开孔率越低，其
烧蚀率越小。其典型烧蚀性能见表５。
由表５可看出：
（１） ０４、Ｔ７０５石墨材料具有良好的耐烧蚀性能，
比ＫＳ一８石墨材料提高１倍左右，在燃烧室高压强的
工况下，其耐烧蚀性能略优于国外喉衬用各种石墨材
料；
（２）ＣＤＫ一２０石墨材料的烧蚀性能与Ｔ７１５石墨材
料基本相当；
（３）文献［３］在燃烧室压强为１０ ＭＰａ的工况下，
Ｇｒａｐｈｎｏｌ、Ｐ一８１８６、Ｇ．９０石墨材料的耐烧蚀性能为第一
档次；ＡＴＪ、Ｐ．ｏ３石墨材料为第二档次。
（ａ）国内
一∞／Ⅱ肼）＼糌ｇ
Ｏ ０ ０ ０ ０ Ｏ
７．６ ８．３ ８．９ ９．６ １０．３ ｌ１．００ ｌ１．７ １２．４
压强／ＭＰａ
（ｂ）国外
图５国内外喉衬烧蚀率与压强的关系
ｉＦｇ．５ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｂｌａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｏｒ ｄｏｍｅｓｔｉｃ
ｎａｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ
３存在问题及改进途径
３．１存在问题
（１）修订和完善国军标喉衬用石墨材料的指标体
系
Ｔ７０５石墨材料制定了国军标“火箭喷管用石墨规
范”，ＧＪＢ ３３Ｏ６—９８；１７０７、１＿７ｌｌ石墨材料制定了国军
标“火箭弹喉衬用石墨规范”，ＧＪＢ ５２５４－－２００３。但其
性能指标不完善，缺少对喉衬用石墨材料进行抗热冲
击性能评价的拉伸强度、模量、热导率和热膨胀系数控
制指标。应修订和完善其指标体系，其测试标准也应
与国际接轨，建立性能可比性的基础，为建立共享的喉
衬用石墨材料数据库奠定基础。
（２）加速开发第三代喉衬用石墨材料
材料成本也是选材的重要依据之一，是第三要素，
其权重为２０％。第二代Ｔ７０４、Ｔ７０５石墨材料是２０世
纪６０年代和８０年代开发的喉衬材料成本较高；８０年
代末开发的石墨渗铜材料¨ ，因其石墨基体密度偏
．．．——
５５９．．．——
２０１５年８月 固体火箭技术 第３８卷
低，烧蚀率偏大，满足不了各种小型战术弹高压强
ＳＲＭ喉衬的要求。
墨材料。Ｅｔ本早已将其用于各种ＳＲＭ喉衬中，且成本
比Ｔ７０５石墨材料低，国内ＳＲＭ喉衬设计部门，应协同
等静压成型的各向同性石墨材料，美国将其综合
性能评价为第二档次，优于喉衬通用的ＡＴＪ、Ｇ一９０石
成都炭素有限公司，尽快将ＣＤＫ．２０系列各向同性石
墨材料用作小型战术弹ＳＲＭ的第三代喉衬材料。
表５喉衬用石墨材料的烧蚀性能
Ｔａｂｌｅ ５ Ａｂｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｔｈｒｏａｔ ｉｎｓｅｒｔ
３．２喉衬用石墨的改进途径
（１）选择低膨胀系数、易于石墨化的针状焦骨料。
４结束语
经过５５年的艰辛努力和积累，国内喉衬用石墨材
针状石油焦的微观结构决定了其具有最低的热膨胀系
数和易于石墨化的特点¨ ，其生焦又具有高的断裂应
料突破了高密度、低烧蚀率等系列关键技术，实现了从
仿制到自主研发的跨越式发展，满足了航天领域小型
战术弹ＳＲＭ的需求，提升了国内喉衬用石墨材料的自
变值 １５－１８１。选择针状生焦骨料，既可提高石墨材料的
断裂应变值，又可提高热导率和低热膨胀系数，对提升
石墨材料的抗热冲击性能极为有利。
（２）适当放大最大颗粒尺寸。石墨材料的抗热冲
击性能与粒度配方关系密切相关。国外抗热冲击性能
最好的Ｇｒａｐｈｎｏｌ石墨的最大颗粒度为９０ ｍ。因此，
将ＣＤＫ一２０将石墨材料的最大颗粒度由现在的５０ ｍ
放大到１００ Ｉｘｍ左右，应能提升其抗热冲击性能。
主保障能力和军贸产品的国际竞争力。但还存在修订
和完善国军标指标体系及加速开发第三代喉衬用石墨
材料的问题。从油焦骨料优选、适当放大最大颗粒尺
寸及提高石墨化温度和密度的适宜控制着手，仍是重
点的研究方向。
参考文献：
［１］Ｃｈａｓｅ Ｃ Ａ，Ｋｕｔｋｕｓ Ｍ Ｊ．Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｏｆ ａｐｏｇｅｅ
ＳＲＭ［Ｒ］．ＡＩＡＡ ７５．１２７６．
（３）提高石墨化度。将ＣＤＫ一２０石墨材料的石墨
化温度由２ ８００℃提高到２ ９００—３ ０００ ｏＣ范围内。可
显著降低热膨胀系数，提高热导率，降低弹性模量。当
然也会降低拉伸强度，但可在石墨化后增加浸渍沥青／
焙烧的工序加以弥补。从热应力因子４个参数的综合
比较，提高石墨化温度能够提升石墨喉衬的抗热冲击
性能。
［２］Ｍａｎｔｅｌ Ｌ．Ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］．１９６８．
［３］ Ｗｈｉｔｎｅｙ Ｄ Ｅ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎ ａａｌｔｅｒｎａｔｅ ｎｏｚｚｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ＭＫ
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［４］ 苏君明．火箭喷管多晶硅石墨材料的应用研究［ｃ］／／第
１８届炭・石墨材料学术会议论文集．西安，２０００：４０９－４１４．
（４）密度的适度控制。石墨材料密度与烧蚀性能
成反比关系，随石墨密度的提高，其烧蚀率呈下降趋
［５］ 赵志平．火箭喷管用ｒＩ７０４，Ｔ７０５高密高强石墨材料的研
制［ｃ］／／第２０届炭・石墨材料学术会论文集．成都，
２００６：２０８ ２１２．
势；但随石墨密度的提高，其热膨胀系数也会增大，影
响到其抗热冲击性能。其密度控制在１．８０～１．８８ ｇ／
ａｍ 范围内较适宜。
［６］ 苏君明．ｒＩ７ｏ４高密高强石墨的静态与动态性能剖析
［Ｃ］ｌｌ第ｌ２届炭・石墨材料学术会议论文集．成都，
１９８８：２２４．２４３．
２０１５年８月 苏君明，等：喉衬用石墨材料的性能和功能评价 第４期
（上接第５５３页）
６结论
（１）对９种结构参数的薄弱区结构在ｌ１种拉弯比
例工况下进行了有限元分析。结果显示，薄弱区中间
［２］
Ｂｏｅｇｌｉｎ Ｐ Ｈ．Ｐｌａｔｅ—ｇｌａｓｓ ｆｉｔｔｅｄ ｗｉｔｈ ａｎ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ—ｃｕｔｔｉｎｇ ｄｅ—
ｖｉｃｅ『Ｐ］．ＵＳ Ｐａｔ．４３３３３８１．１９８２．
［３］ Ｂｅｌｌ Ｒ Ｅ．Ｍｉｓｓｉｌｅ ｗｅａｐｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆＰ １．ＵＳ Ｐａｔ．５２３９９０９，
１９９２．
胶层主要承担拉伸载荷作用，加贴层主要承担弯曲载
荷作用。
（２）拟合了薄弱区结构强度包络线，发现薄弱区
参数对结构的承载能力有较大的影响。搭接长度主要
影响结构的剪切强度，且在５～９ ｍｍ范围内，搭接长度
［４］
Ｋｒｏｌ Ｕ Ｂ．Ｆｒａｎｇｉｂｌｅ ｃｏｖｅｒ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｆｏｒ ｍｉｓｓｉｌｅ ｌａｕｎｃｈｅｒｓ
［Ｐ］．ＵＳ Ｐａｔ．３７４２８１４，１９７１．
［５］
宋桂明，周玉．复合材料设计的回顾与展望［Ｊ］．固体火
箭技术，１９９７，２０（４）：５３—６０．
［６］ 王晓洁，梁国正，湿热老化对高性能复合材料性能的影
增量与结构强度基本成线性关系。搭接厚度主要影响
结构拉伸强度，在０．１～Ｏ．２ ｍｍ阶段，对承载能力的增
幅大于０．２～０．４ ｍｍ阶段。因此，认为搭接厚度对强度
控制存在一定的极限值。
（３）建立薄弱区强度和参数的关系，提出了一种
参数化设计方法，并对参数化设计方法设计的６个易
碎盖进行实验验证。实验结果与理论设计破坏值相差
ｌ０％左右，验证了设计方法的可行性。
响［Ｊ］．固体火箭技术，２００６，２９（３）：３０１—３０４．
ｃｋｅｎｓ Ｊ Ｒ，Ｔａｃｋ Ｗ Ｔ．Ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ａ１一Ｃｕ—Ｌｉａｌｌｏｙｓ ｆｏｒ
［７］
Ｐｉ
Ｌａｎｃｈ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＮＡＳＡ，Ａｌｕｍｉｎｕｍ—Ｌｉｔｈｉｕｍ Ａｌｌｏｙｓ ｆｏｒ
Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，２００４，２８（６）：５８—６４．
［８］
金钊，陈思庄．航空导弹垂直发射系统发展概况［Ｊ］．航
空导弹，２００６（１）：２５—２９．
［９］
常卫伟．舰载导弹垂直发射系统巡礼［Ｊ］．舰载武器，
２００４（１）：６３—６８．
［１０］
周光明，袁卓伟．整体冲破式复合材料薄膜盖的设计与
实验研究［Ｊ］．宇航学报，２００７，２８（３）：７０７—７１２．
参考文献：
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ｎｏｓｅ ｃｏｎｅ［Ｐ］．ｕＳ Ｐａｔ．３９７０００６，１９７６．
［１１］
沈观林．复合材料力学［Ｍ］．北京：清华大学出版社，
１９９１：６９—７１．
（编辑：薛永利）
一
５６１—