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適用于長時間燒蝕防熱的蜂窩增強低密度材料

2019-04-03 14:27:28 作者：鄧火英,譚玨,譚朝元,梁馨,孫紅衛來源：航天材料及工藝研究所分享至：

0 引言

隨著高速飛行器研制的開展，對熱防護材料在較低熱流、較高氣流剪切力、長時間條件下的燒蝕隔熱性能提出了更高的要求，需要研制適用于長時間燒蝕防熱的輕質防熱材料。目前，國外長時間飛行器（如X － 51A）主要采用高溫合金、柔性隔熱氈或輕質燒蝕泡沫防熱。

低密度燒蝕材料（ ≤1. 0 g /cm3 ）應用于運載火箭主動段防熱、星際探測器和返回式航天器等高焓、低熱流密度和較長時間燒蝕環境下，具有不可替代的重要作用。本文針對長時間燒蝕防熱用輕質高效防熱材料的需求，研制了兩種蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料，采用電弧風洞加熱設備對其防熱性能進行了考核，并對蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料的力學及熱物理性能進行了研究。

1 實驗

1. 1 材料

蜂窩增強低密度燒蝕材料A、B，密度分別約為0. 7、0. 55 g /cm3。

1. 2 性能測試

蜂窩增強低密度燒蝕材料的拉伸性能、平面壓縮性能分別按DqESJ7—99、DqESJ4—99 標準測試。熱導率、比熱容、線脹系數分別按DqESJ20—99、GJB330A—2000、DqESJ19—99 標準測試。蜂窩增強低密度燒蝕材料的燒蝕防熱性能采用電弧風洞加熱設備進行考核，監測試驗件的表面及背面溫度歷程，計算試驗件的質量燒蝕率和線燒蝕率。熱環境1: 熱面最高溫度約1700℃，試驗時間約1 300 s，材料厚度20 mm。熱環境2: 熱面最高溫度約1 400℃，試驗時間約1 000 s，材料厚度24 mm。

2 結果與討論

2. 1 力學性能

蜂窩增強低密度材料的力學性能見表1。可以看出，研制的蜂窩增強低密度材料A 和材料B 的面內拉伸強度為1 MPa 左右，壓縮強度為3 MPa 左右。

200℃下材料A 和材料B 的拉伸性能明顯下降，壓縮強度為2 MPa 左右。材料A 的拉伸性能優于材料B，但材料B 的壓縮性能更好一些。

由于蜂窩增強低密度材料不具備承載的功能，不適合在具有連接作用及加強作用的端面和窗口使用。在產品的連接處及開口處必須使用既具有良好燒蝕性能又有一定強度的其他防熱材料如中密度玻璃鋼燒蝕防熱材料，如密度為0. 9 ～1. 4 g /cm3的燒蝕防熱材料。其中密度為1. 0 g /cm3的MD4 材料的力學性能見表2。

2. 2 熱物理性

能蜂窩增強低密度材料的熱導率、比熱容和線脹系數見表3。可見蜂窩增強低密度材料與其他燒蝕防熱材料相比，熱導率較低，使得外部的熱量難以傳到內部；比熱容較大，因而可吸收大量的熱量。材料的密度越小，熱導率相對也越低，比熱容越大。當密度為0. 55 g /cm3時，熱導率為0. 1 W/（ m·K）左右。因此此類材料在工作過程中的熱阻塞效應較大，防熱效率較高，這對長時間熱環境下的防熱來說是非常有利的。