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空天飛行器用熱防護陶瓷材料

2018-01-04 09:46:23 作者：本網(wǎng)整理來源：中國知網(wǎng) 分享至：

作者：陳玉峰 1，洪長青 2，胡成龍 3，胡平 2，李伶 4，劉家臣 5，劉玲 6，龍東輝 7，邱海鵬 8，湯素芳 3，張幸紅 2，周長靈 4，周延春 9，朱時珍 6

1 中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024

2 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料研究所，哈爾濱 150001

3 中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016

4 山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計院，山東淄博 255000

5 天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072

6 北京理工大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100081

7 華東理工大學(xué) 化工學(xué)院，上海 200237

8 中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 100130 9 航天材料及工藝研究所，北京 100076

序

熱防護系統(tǒng)和熱防護材料是發(fā)展和保障高超聲速飛行器和可重復(fù)使用飛行器在極端環(huán)境下安全服役的基石。為了提高飛行器的生存能力，突破熱防護的“新熱障”問題，高效熱防護系統(tǒng)和熱防護材料必須提高抗極端服役環(huán)境能力，滿足飛行器熱防護系統(tǒng)的耐溫性、耐久性和可靠性需求。近年來，隨著相關(guān)航天和軍事需求的快速發(fā)展，熱防護系統(tǒng)和熱防護材料的研究及應(yīng)用獲得了極大進步，并逐步成為相對獨立并不斷壯大的研究領(lǐng)域。

本文回顧了熱防護技術(shù)和熱防護材料的發(fā)展歷史，然后根據(jù)新型高超聲速飛行器和空天飛機發(fā)展對熱防護材料的挑戰(zhàn)和需求，重點介紹了陶瓷熱防護材料包括超高溫陶瓷、纖維增韌超高溫陶瓷基復(fù)合材料、大面積隔熱材料、防隔熱涂層、高溫?zé)崦芊獠牧系陌l(fā)展現(xiàn)狀。在對空天飛行器用熱防護材料的歷史及現(xiàn)狀進行全方位的綜合評述的基礎(chǔ)上，提出了熱防護材料的發(fā)展方向，以期為未來進一步發(fā)展更加高效、可靠的熱防護材料提供參考。

本文所有作者均長期從事熱防護系統(tǒng)和熱防護材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，在相關(guān)熱防護基礎(chǔ)理論、材料設(shè)計、制備工藝、結(jié)構(gòu)表征、性能調(diào)控以及應(yīng)用開發(fā)等方面做了大量工作，以十余年的研究成果為基礎(chǔ)，同時融合國際上熱防護材料的最新研究進展，撰寫了較系統(tǒng)全面的“空天飛行器用熱防護陶瓷材料”長文綜述，對從事本領(lǐng)域研究的讀者有很好的參考價值，在這里也希望我國的熱防護系統(tǒng)和熱防護材料技術(shù)研究再邁上一個新臺階。

韓杰才

哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士

2017 年 8 月 30 日于哈爾濱

前言

1 熱防護技術(shù)發(fā)展歷史

1.1 激波防熱及熱沉防熱

1.2 燒蝕防熱

1.3 可重復(fù)使用熱防護系統(tǒng)

1.4 新型可重復(fù)使用熱防護材料

2 超高溫陶瓷及其復(fù)合材料

2.1 UHTCs 防熱材料體系的設(shè)計

2.2 UHTCs 的制備

2.3 UHTCs 的力學(xué)性能和抗熱沖擊性能

2.4 UHTCs 的抗氧化燒蝕性能

3 碳纖維增強超高溫陶瓷基復(fù)合材料

3.1 材料制備

3.2 推進系統(tǒng)用難熔金屬碳化物改性 C/C 復(fù)合材料

3.3 飛行器用難熔金屬碳化物改性 C/SiC 復(fù)合材料

3.4 碳纖維增強硼化物超高溫陶瓷復(fù)合材料

3.5 多功能碳纖維增強 UHTC 基復(fù)合材料的設(shè)計

3.6 發(fā)展方向

4 大面積隔熱材料

4.1 陶瓷纖維剛性隔熱瓦

4.2 陶瓷纖維柔性隔熱氈

5 沖壓發(fā)動機被動熱防護多層隔熱材料

5.1 沖壓發(fā)動機的熱防護

5.2 沖壓發(fā)動機用多層隔熱材料的設(shè)計

5.3 沖壓發(fā)動機用隔熱材料的種類及制備

6 防隔熱涂層

6.1 抗氧化燒蝕涂層的功能要求與結(jié)構(gòu)設(shè)計

6.2 抗氧化燒蝕涂層體系

6.3 高發(fā)射隔熱涂層設(shè)計要求

6.4 陶瓷纖維剛性隔熱瓦表面涂層體系

6.5 陶瓷纖維柔性隔熱氈表面涂層體系

6.6 防隔熱涂層的制備技術(shù)

6.7 發(fā)展方向

7 高溫?zé)崦芊獠牧?/span>

7.1 高溫膠粘劑

7.2 高溫靜態(tài)密封材料

7.3 高溫動態(tài)密封組件

7.4 發(fā)展方向

8 結(jié)束語

致謝

參考文獻

空天飛行器是指能夠飛行在臨近空間或空間執(zhí)行特定任務(wù)并能長時間駐留的飛行器，是實現(xiàn)快速遠程輸送、精確打擊、遠程實時偵查、持久高空監(jiān)視、情報搜集和通信中繼等任務(wù)最為有效的手段[1]。典型的空天飛行器可以分為三類（圖 1）：可重復(fù)使用軌道機動式（Single Stage to Orbit, SSTO; Two Stage to Orbit, TSTO）、高超聲速助推滑翔式（Hypersonic Technology Vehicle, HTV）和高超聲速巡航式（Hypersonic Cruise Vehicle, HCV）。這些飛行器的飛行速度一般均達到 5 倍音速以上，因而也被稱為超高聲速飛行器，是未來航天航空技術(shù)新的制高點，具有戰(zhàn)略性、前瞻性、標(biāo)志性和帶動性。近年來，臨近空間特殊的戰(zhàn)略價值已經(jīng)受到許多國家的重視，高超聲速飛行器也成為各國近期競相研究的熱點。美國、俄羅斯、歐洲、韓國、日本、以色列等國家和地區(qū)都投入了大量經(jīng)費并制定了一系列研究計劃，積極開展高超聲速飛行器的研制。從總體上看，目前高超聲速飛行器仍處于關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和演示驗證階段。熱防護系統(tǒng) （Thermal Protection System,TPS）是研制和保障空天飛行器在極端環(huán)境下安全服役最為關(guān)鍵的技術(shù)之一[2,3]。飛行器在高速進入大氣層的過程中，氣流會在飛行器的外表面形成一個激波層。高速氣流在流經(jīng)該激波層時受到壓縮，導(dǎo)致大量動能轉(zhuǎn)化為熱能，并使得氣流溫度急劇升高。當(dāng)激波層內(nèi)部分氣體傳遞至飛行器表面時，與飛行器表面產(chǎn)生剪切力和內(nèi)粘性，從而導(dǎo)致這部分氣體溫度進一步提高。這部分氣體所處的區(qū)域被稱為邊界層。由于邊界層內(nèi)氣體溫度遠高于飛行器表面，因此邊界層內(nèi)的氣體與飛行器表面將產(chǎn)生對流傳熱作用，并導(dǎo)致飛行器表面溫度升高，這就是所謂的氣動加熱，即高速空氣繞流飛行器所產(chǎn)生的加熱行為[4]。由于氣動加熱作用本質(zhì)上是一種動能向熱能的轉(zhuǎn)化，因此該作用產(chǎn)生的熱流密度與飛行器速度密切相關(guān)。飛行器表面的熱流密度近似隨飛行速度的三次方快速增長，并與大氣密度成正比關(guān)系。圖 2 所示為直徑 1 inch （2.5 cm）的球體在三種不同軌道飛行器上表面熱流隨溫度的變化關(guān)系。第一種為載人航天飛行器近地軌道載入，第二種為單級軌道吸氣式飛行器上升階段，第三種為航天飛機軌道器下降過程。從圖中可以看出，在第一種情況下，球體表面熱流在很短的時間內(nèi)就能達到最大值；而在第三種情況下，較長時間內(nèi)球體表面仍保持著最大的熱流密度。TPS 的主要功能便是控制進入飛行器的熱流，使底層主體結(jié)構(gòu)維持在所允許的溫度范圍內(nèi)[2,3]。

近十年來，高超聲速技術(shù)研究如火如荼地進行，盡管在取得重大突破的同時，還在部分相關(guān)型號上獲得飛行演示驗證，但滿足新型飛行器構(gòu)型和軌道要求的“新熱障”問題仍然是一個難以回避的重大問題。空間、臨近空間和大氣層內(nèi)長時間高超聲速滑翔/巡航/軌道機動飛行，是目前多種新型空天飛行器發(fā)展的熱點和未來發(fā)展趨勢，飛行速度的提高和機動能力的提升促使許多傳統(tǒng)熱防護系統(tǒng)觀念發(fā)生了改變[5]。尤其是近年來，隨著載人航天、登月與深空探測、高超聲速飛行器、重復(fù)使用運載器、空間機動飛行器等航天科技發(fā)展與航天工程的實施，對防熱復(fù)合材料又提出了全新、更加可靠的技術(shù)要求，為熱防護材料的發(fā)展提供了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)[6,7]。現(xiàn)有防熱材料體系在高溫物理化學(xué)穩(wěn)定性、能量耗散效率以及有效服役時間等方面都還存在諸多不足，已成為新型飛行器研制中關(guān)鍵性的制約因素之一。拓展現(xiàn)有熱防護系統(tǒng)及相關(guān)熱防護材料的耐極端環(huán)境能力、探索新的熱防護材料體系成為發(fā)展高超聲速飛行器和空天飛行器技術(shù)的迫切需求。

本文在對空天飛行器用熱防護材料的歷史及現(xiàn)狀進行全方位的綜合評述的基礎(chǔ)上，提出了熱防護材料的發(fā)展方向，以期為未來進一步發(fā)展更加高效、可靠的熱防護材料提供參考。