“高超聲速飛行器最大的挑戰(zhàn)來自于‘熱’，以及由熱帶來的氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)和推進(jìn)等系統(tǒng)的一系列問題。”哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授孟松鶴告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，要想實(shí)現(xiàn)近空間高超聲速遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)飛行，首先必須要克服飛行過程中產(chǎn)生的極端熱載荷，同時(shí)為了提高結(jié)構(gòu)效率對(duì)“減重”提出了更為苛刻的要求。因此，耐高溫抗氧化材料、輕質(zhì)熱防護(hù)與熱結(jié)構(gòu)、高效熱管理技術(shù)等成為高超聲速飛行能否走向現(xiàn)實(shí)的決定性要素。

    在國(guó)家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃“近空間飛行器的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題”的九年持續(xù)支持下，高溫?zé)岱雷o(hù)與輕質(zhì)結(jié)構(gòu)成為四大核心科學(xué)問題之一，項(xiàng)目承擔(dān)單位取得了多項(xiàng)基礎(chǔ)性、創(chuàng)新性研究成果，進(jìn)一步揭示了材料超高溫響應(yīng)機(jī)理與失效機(jī)制，顯著提高了材料耐環(huán)境與強(qiáng)韌化能力，發(fā)展了系統(tǒng)的測(cè)試與表征技術(shù)，提出了系列熱防護(hù)與熱管理的新方法，為國(guó)家高超聲速熱防護(hù)與輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有力的支撐，部分結(jié)果直接應(yīng)用于國(guó)家重大需求的項(xiàng)目。

    在多個(gè)培育項(xiàng)目和集成項(xiàng)目支持下，研究人員系統(tǒng)發(fā)展和完善了超高溫力學(xué)性能測(cè)試、熱力氧耦合性能測(cè)試、多參量熱沖擊性能表征方法，拓展了高溫?cái)?shù)字圖像相關(guān)、光柵應(yīng)變計(jì)以及光纖光柵傳感器的測(cè)試能力，達(dá)到了國(guó)際公開報(bào)道的最高水平，直接服務(wù)國(guó)家重大需求。尤其是提出了創(chuàng)新的“主動(dòng)成像”光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)氧化表面形貌和應(yīng)力動(dòng)態(tài)測(cè)量，并推廣應(yīng)用于多個(gè)工程部門。

    研究人員發(fā)展了防熱復(fù)合材料的多尺度分析方法，同時(shí)引入不確定性，發(fā)展了熱防護(hù)系統(tǒng)的參數(shù)靈敏度分析方法及模型確認(rèn)和驗(yàn)證方法，利用模糊數(shù)學(xué)手段建立了綜合效能評(píng)價(jià)方法，并將之應(yīng)用于實(shí)際工程分析與設(shè)計(jì)中，顯著提高了預(yù)報(bào)精度與置信度。

    相關(guān)項(xiàng)目深入認(rèn)識(shí)了超高溫防熱材料的燒蝕/氧化/催化/輻射耦合行為，揭示了材料表面響應(yīng)溫度躍遷或突變的機(jī)制。研究人員還創(chuàng)新性地通過仿生設(shè)計(jì)陶瓷表面結(jié)構(gòu)，使陶瓷表面熱阻增加了近萬倍，同時(shí)為傳統(tǒng)研究方法提供了新思想，即通過對(duì)材料表面的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來獲得所需的整體性能。研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，英國(guó)《新科學(xué)家》雜志、德國(guó)《焦點(diǎn)》周刊等予以報(bào)道。

    此外，研究人員積極探索了熱防護(hù)、熱管理與輕質(zhì)化的新概念、新材料和新方法。如利用光子晶體的光學(xué)特性調(diào)控?zé)彷椛洌O(shè)計(jì)并制備了光子晶體熱防護(hù)涂層；基于“壁虎腳仿生”原理，將碳納米管均勻地接枝到超薄鋁合金內(nèi)襯表面，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)界面層強(qiáng)度提高了28%；突破紡絲工藝實(shí)現(xiàn)了高定向、寬平面結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱瀝青纖維的制備，石墨化連續(xù)長(zhǎng)絲纖維熱導(dǎo)率超過600W/mK，達(dá)到美國(guó)同類產(chǎn)品水平，以此為基礎(chǔ)研制的高導(dǎo)熱C/C復(fù)合材料為高溫?zé)峁芾硖峁┝擞行У募夹g(shù)途徑。

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