航天器用防隔熱材料的研究與應(yīng)用

1防隔熱材料載人宇宙飛船的返回、重型裝載裝置（如航空母艦）和空天飛機(jī)進(jìn)入層狀時，由于探測器從離真空的外部空間進(jìn)入致密的分層，因此升行速度非常高（例如，航空母艦以高距離為100km的飛行速度為7800ms）。他們還面臨同樣的問題：在頂層以高馬哈數(shù)數(shù)飛行時，飛機(jī)和彈體表面會產(chǎn)生嚴(yán)重的氣熱，從而對飛機(jī)表面造成熱損傷。因此防隔熱材料是飛行器最重要的關(guān)鍵材料之一。防隔熱材料是能夠阻止熱量傳遞,保護(hù)儀器或設(shè)備正常工作的一類材料。目前已受到越來越多的關(guān)注,其研究與發(fā)展以及更新?lián)Q代速度也日益加快。以下簡要介紹航天器用防隔熱材料國內(nèi)外研究情況,并簡要概述國內(nèi)外碳/碳復(fù)合材料、超高溫陶瓷材料、陶瓷基復(fù)合材料及新型隔熱材料等熱防護(hù)材料的研究工作及其在飛行器上的應(yīng)用。2熱防護(hù)材料碳/碳材料由于燒蝕類熱防護(hù)材料發(fā)展歷史長,技術(shù)也相對成熟,因此應(yīng)用也相對廣泛。例如由酚醛、環(huán)氧樹脂或硅橡膠為基體的低密度燒蝕材料適用于高焓、低熱流和較長時間使用條件下的飛行器防熱,是宇宙飛船返回艙和星際探測器中重要的熱防護(hù)材料,如:“水星號”飛船用了玻璃/酚醛材料,“雙子星座”飛船用了低密度甲基硅橡膠基燒蝕材料,“阿波羅”飛船用了酚醛加環(huán)氧的低密度燒蝕材料。俄羅斯/蘇聯(lián)系列飛船(如“聯(lián)盟TM”)返回艙則采用高密度燒蝕材料,由石棉玻璃布(大底處)或加氟特倫(側(cè)壁處)構(gòu)成燒蝕層。NASA目前正在研制的“獵戶座”飛船的防熱罩將是一種一次性使用的燒蝕系統(tǒng),可通過逐漸燒蝕來消耗掉大氣再入過程中產(chǎn)生的高熱。目前NASA艾姆斯中心(Amesresearchcenter)正在發(fā)展用于“獵戶座”飛船的熱防護(hù)系統(tǒng),防熱材料也將采用酚醛浸漬碳燒蝕材料。在衛(wèi)星、飛船等航天器的高焓低熱流區(qū)域,應(yīng)用的聚合物基防熱燒蝕材料多為充填有中空微球的有機(jī)硅類彈性體材料,導(dǎo)彈武器地面設(shè)備、民用設(shè)施等也常應(yīng)用這類熱防護(hù)材料。洲際導(dǎo)彈彈頭采用的主要燒蝕材料為碳/碳復(fù)合材料,而彈頭的錐體部分則采用碳/酚醛材料,并已在“民兵Ⅲ”、“三叉戟C4”等導(dǎo)彈上得到成功的應(yīng)用。傳統(tǒng)的燒蝕熱防護(hù)是以犧牲防熱材料的質(zhì)量損失換取防熱的效果,但對外形不變的要求,燒蝕熱防護(hù)己無能為力,于是提出非燒蝕的概念。對于非燒蝕(或可重復(fù)使用)的新型熱防護(hù)系統(tǒng)及材料來說,提高材料極限使用溫度和高溫性能、提高表面輻射、抗氧化能力、防隔熱一體化和能量疏導(dǎo)和耗散機(jī)制的主被動結(jié)合防熱成為目前的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。新型飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)集中在以下幾個方面:一是研制可在高熱流條件下非燒蝕型或可重復(fù)使用的頭錐、翼前緣材料及結(jié)構(gòu);二是發(fā)展輕質(zhì)、可重復(fù)使用的防/隔熱一體化大面積熱防護(hù)結(jié)構(gòu)及材料;三是需要加強(qiáng)主被動結(jié)合式熱防護(hù)系統(tǒng)的開發(fā),探索新的熱量疏導(dǎo)和管理機(jī)制及系統(tǒng)。在這些技術(shù)需求中,“輕”是基礎(chǔ)、“熱”是關(guān)鍵、“長服役時間”與“抗氧化”是技術(shù)難點(diǎn),要求各種性能能夠合理匹配。近期的一些研究表明了改性碳/碳材料、陶瓷基復(fù)合材料、超高溫陶瓷材料以及新型隔熱材料在熱防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。3一些新型防隔熱材料的研究和應(yīng)用3.1國外研究現(xiàn)狀碳/碳復(fù)合材料具有強(qiáng)度高(尤其是高溫強(qiáng)度穩(wěn)定)、抗熱沖擊性能好、耐燒蝕性好等特點(diǎn),目前每一種新型航空航天器的推出都以廣泛采用先進(jìn)復(fù)合材料,特別是碳/碳復(fù)合材料,為顯著特點(diǎn)。近年來,對抗氧化碳/碳復(fù)合材料的研究主要集中在基體材料和涂層體系設(shè)計(jì)及其系列化發(fā)展、進(jìn)一步提高強(qiáng)度和使用溫度、提升重復(fù)使用可靠性等方面。近期美國采用多種方法大幅度提高了2D碳/碳復(fù)合材料基材的層間和面內(nèi)力學(xué)性能,對抗氧化涂層系統(tǒng)進(jìn)行深入研究,取得顯著進(jìn)展。抗氧化碳/碳復(fù)合材料克服了碳/碳復(fù)合材料本身不耐氧化的缺點(diǎn),而保留了其直到2500℃的超高溫條件下機(jī)械性能不降反升的優(yōu)點(diǎn)。美、俄航天飛機(jī)頭錐和機(jī)翼前緣都采用了抗氧化碳/碳復(fù)合材料,前后100多次的成功飛行充分證明了抗氧化碳/碳復(fù)合材料穩(wěn)定的性能和成熟的技術(shù)。美國在隨后的幾乎所有先進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證飛行器計(jì)劃中都選用抗氧化碳/碳復(fù)合材料作為服役環(huán)境最為惡劣部位的首選材料。日本正在為HOPER航天飛機(jī)研制高溫區(qū)用碳/碳材料,中溫區(qū)用陶瓷隔熱瓦、高溫合金蜂窩結(jié)構(gòu)和柔性隔熱材料等多種防熱材料,近年來取得較大進(jìn)展。日本碳/碳復(fù)合材料的力學(xué)性能已接近或優(yōu)于美國航天飛機(jī)現(xiàn)用材料,最近已成功地用于軌道試驗(yàn)飛行器頭錐和防熱面板,其頭錐是目前世界上最大的固化復(fù)合材料結(jié)構(gòu),同時研究了多種類型的涂層。日本HOPER航天飛機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng),見圖1。另外,在碳/碳復(fù)合材料表面涂覆HfC等難熔碳化物,可大大降低碳/碳復(fù)合材料燒蝕率,能承受更高燃?xì)鉁囟然蜓娱L時間。研究結(jié)果顯示,材料熱結(jié)構(gòu)件經(jīng)工作時間為60s,溫度高達(dá)3800℃和壓力為8.0MPa的SRM地面點(diǎn)火沖刷試驗(yàn)考核后,燒蝕率比高密度碳/碳復(fù)合材料成倍降低;俄羅斯以高超聲速巡航彈為背景研制的超高溫抗氧化碳/碳復(fù)合材料多層涂層體系可實(shí)現(xiàn)在2000℃有氧環(huán)境下工作1h以上不破壞。X-43A飛行試驗(yàn)表明,超高溫抗氧化碳/碳復(fù)合材料具有明顯的優(yōu)勢。3.2國外研究現(xiàn)狀超高溫材料指的是在高溫環(huán)境下(例如高于2000℃)以及反應(yīng)氣氛中(例如原子氧環(huán)境)能夠保持物理和化學(xué)穩(wěn)定性的一種特殊材料。能夠勝任超高溫環(huán)境的材料主要集中在包括硼化物、碳化物、氧化物以及氮化物在內(nèi)的一些過渡金屬化合物,例如:TaC、ZrB2、ZrC、HfB2、HfC等的熔點(diǎn)都超過3000℃,這些化合物的熱化學(xué)穩(wěn)定性使得它們能夠作為極端環(huán)境下使用的候選材料。由高熔點(diǎn)硼化物、碳化物以及氧化物組成的多元復(fù)合陶瓷材料被稱為超高溫陶瓷材料,由于在2000℃以上表現(xiàn)出很好的抗氧化特性引起了軍事和宇航上的高度關(guān)注和推動。作為一種新型的抗氧化材料體系,國外也開展了前瞻性的探索研究工作。為解決超高溫陶瓷材料抗熱震性差、急劇變化的溫度梯度容易導(dǎo)致材料出現(xiàn)脆性破壞等問題,多個國家開展了纖維增強(qiáng)超高溫陶瓷基復(fù)合材料的研究,如碳纖維增強(qiáng)陶瓷Cf/Si3N4、Cf/SiC、Cf/SiO2、Cf/Al2O3,以及陶瓷纖維增強(qiáng)陶瓷Al2O3/Cf、SiCf/SiO2。目前法國在陶瓷基復(fù)合材料生產(chǎn)方面處于世界領(lǐng)先水平,具有制造航天飛機(jī)SiCf/SiC和Cf/SiC大型部件的能力。Cf/SiC復(fù)合材料是制作抗燒蝕表面隔熱板的較佳候選材料之一,它具有質(zhì)輕耐用的特點(diǎn)。目前,歐洲正集中研究載人飛船及可重復(fù)使用飛行器的可簡單裝配的熱結(jié)構(gòu)及熱保護(hù)材料,其中Cf/SiC復(fù)合材料是重要材料體系,并已達(dá)到很高的生產(chǎn)水平。在以上抗氧化碳/碳和C/SiC(SiC/SiC)復(fù)合材料研究工作中,國內(nèi)開展研究工作的有航天材料及工藝研究所、西北工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)、中科院煤化所、中科院金屬所等單位。由于針對的研究背景不同,各個單位開展研究工作的側(cè)重點(diǎn)都不同。其中,航天材料與工藝研究所在大面積薄壁抗氧化碳/碳復(fù)合材料的研究方面有較為深厚的研究基礎(chǔ)。3.3納米隔熱材料:《d.9.近年來,美國為滿足未來航天器如空天飛機(jī)、新型單級入軌運(yùn)載器等對防熱的更高要求,研制了如高溫特性材料(HTP)、氧化鋁增強(qiáng)熱屏蔽材料(AETB)、氧化鋁可溶改性隔熱材料(ASMI)、超輕剛性隔熱材料(ULRI)、合成多密度材料(IMD)等剛性隔熱材料和新型復(fù)合柔性隔熱氈(CFBI)、可縫制柔性隔熱氈(TABI)等柔性隔熱結(jié)構(gòu)和材料。其中,剛性陶瓷隔熱材料的研究已趨于成熟。20世紀(jì)80年代,陶瓷纖維隔熱材料已在航天飛機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用,例如Hermes航天飛機(jī)、HOPER航天飛機(jī)及“X-系列”航天飛機(jī)。陶瓷纖維剛性隔熱瓦占據(jù)了航天飛機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)中的絕大部分,主要包括了兩大類:應(yīng)用于中溫區(qū)(650℃~1260℃)的高溫可重復(fù)使用表面隔熱材料(HRSI)、應(yīng)用于較低溫區(qū)(370℃~650℃)的低溫重復(fù)使用表面隔熱材料(LRSI)。其中HRSI密度為0.359g.cm-3,主要應(yīng)用于機(jī)身的下表面。剛性隔熱瓦表面涂裝了以SiB4為高輻射劑、以Si02和B203為助劑經(jīng)l100℃燒結(jié)而形成的黑色的高發(fā)射率涂層。LRSI密度更低,為0.145g.cm-3,主要應(yīng)用在機(jī)身的上表面,由于其處于較低的溫度下,輻射散熱作用甚微,因此主要依靠反射熱輻射散熱,因此表面涂裝了白色的高反射率的涂層。隨著新材料、新技術(shù)的不斷發(fā)展,新型隔熱材料研究日新月異,不斷更新,在這里簡要介紹一下近年來較為引人注意新型隔熱材料體系:納米隔熱材料與功能梯度材料。納米隔熱材料由于其獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)特征賦予了材料極其優(yōu)異的隔熱性能。在NASA的資助下,艾姆斯研究中心、馬賽爾空間飛行中心(MarshallSpaceFlightCenter)和肯尼迪空間中心(KennedySpaceCenter)的研究人員分別開展了納米隔熱材料的研究工作。其中艾姆斯研究中心原計(jì)劃將新研制的納米隔熱瓦用在1999年飛行的航天飛機(jī)上,盡管后來由于某種原因未能實(shí)現(xiàn),但是這件事本身說明了納米隔熱材料的研究已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)成熟的階段。在實(shí)用化方面,納米隔熱材料已經(jīng)成功應(yīng)用于火星探測器的個別溫度敏感部件及星云捕獲器上。另外,德國、瑞典、以色列、日本等國也開展了新型納米隔熱材料的研究工作。有關(guān)納米隔熱材料的一些高新技術(shù)公司相繼成立。目前資料報(bào)道的常溫常壓下納米隔熱材料最低的熱導(dǎo)率只有0.013W/(m·k),比靜止空氣的0.0256W/(m·k)低一半。資料報(bào)道的納米隔熱材料的使用溫度一般都小于500℃,機(jī)械強(qiáng)度很差。進(jìn)一步提高納米隔熱材料的使用溫度及其它綜合性能將是今后研究工作的重點(diǎn)。近幾年來,一種新型隔熱材料—功能梯度材料(Functionalgradientmaterials,FGM)引起人們廣泛關(guān)注。它最早是由日本學(xué)者平井敏雄等在20世紀(jì)80年代首先提出的,他們將該材料的應(yīng)用目標(biāo)最初確定為航天飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)的熱端部件。功能梯度材料是指構(gòu)成材料的要素即組成和結(jié)構(gòu)沿厚度方向由一側(cè)向另一側(cè)呈連續(xù)變化,從而使材料的性能也呈梯度變化的一種新型材料。FGM在解決航空航天材料耐熱性、隔熱性、長壽命和強(qiáng)韌性等特性時顯示了巨大的應(yīng)用潛力,例如陶瓷/金屬功能梯度熱防護(hù)材料、功能梯度碳/碳復(fù)合熱防護(hù)材料等。在導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下,它能克服多層熱防護(hù)材料之間的層間缺陷及小塊材料之間連接困難的不足。預(yù)期這種新型的材料將會成為航空航天器熱防護(hù)系統(tǒng)新一代隔熱材料的研究方向之一。國內(nèi)開展新型高效隔熱材料的研究單位有航天材料及工藝研究所、北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、山東工陶院等許多科研院所。國內(nèi)隔熱材料研究與生產(chǎn)方面近年來也有一定程度發(fā)展。生產(chǎn)高溫陶瓷纖維和隔熱材料的廠家涌現(xiàn)不少,但是大多屬于一般通用的隔熱產(chǎn)品,只有個別廠家生產(chǎn)的陶瓷纖維勉強(qiáng)可以作為開展高效隔熱材料的原材料使用,原材料技術(shù)水平低已經(jīng)成為阻礙我國高品質(zhì)隔熱材料發(fā)展的一個主要因素。未來長時間使用的大面積防/隔熱材料的使用溫度多在400℃~800℃,而使用時間卻長達(dá)1000s以上,受到金屬殼體和內(nèi)部電子元件使用溫度(最高不超過100℃)、質(zhì)量及尺寸等多方限制,對隔熱材料要求越來越高,主要的研究趨勢有三個方面:1)采用單一結(jié)構(gòu)材料,提高增強(qiáng)材料的隔熱性能,如采用密度和熱導(dǎo)率較低的空心玻璃纖維;提高基體材料的隔熱性能,一般可添加玻璃空心微球或酚醛玻璃微球;增加復(fù)合材料中樹脂基體的配比;2)采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu);3)通過防熱涂料和套裝膠提高防護(hù)材料的隔熱性能。4防隔熱