新型高速飛行器（如可重復(fù)使用天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)、飛船返回艙、近空間高超聲速飛行器等）在穿越或飛行于大氣層過(guò)程中表面受到強(qiáng)氣動(dòng)加熱的作用，溫度可達(dá) 1327 ～ 2727℃甚至更高，因此對(duì)飛行器表面熱防護(hù)系統(tǒng)提出異常苛刻的要求，同時(shí)高速飛行器表面不同部位在往返過(guò)程中將承受不同的熱腐蝕環(huán)境，其表面須采用不同功能的熱防護(hù)材料。其鼻錐、前緣、垂尾等部位采用的是高溫 / 超高溫防熱材料，而飛行器表面其它部位則主要采用可重復(fù)使用的非燒蝕防隔熱材料，外加熱防護(hù)涂層。于是，熱防護(hù)涂層成為了防隔熱材料能否成功運(yùn)用于飛行器外部防隔熱的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它解決了防隔熱材料在高溫環(huán)境下的抗沖蝕、抗熱裂、輻射和抗氧化等瓶頸問(wèn)題。

新型高速飛行器

    新型高速飛行器高速飛行器表面熱防護(hù)研究進(jìn)展

    非燒蝕防隔熱層可分為剛性隔熱瓦和柔性隔熱氈。剛性隔熱瓦表面經(jīng)歷了 RCG、TUFI、HETC 為代表的３代涂層發(fā)展歷程，而柔性隔熱氈表面熱防護(hù)涂層也經(jīng)歷了 DC92、D-9、PCC 三代涂層的演變。在這些涂層的研發(fā)過(guò)程中，不斷提高耐溫性和輻射率成為了科研者一直追求的目標(biāo)，通過(guò)不斷的創(chuàng)新和努力，新一代涂層 HETC 的耐溫性被提高到 1600℃以上，而輻射率被提高到 0.9 以上。

    美國(guó)航天飛機(jī)挑戰(zhàn)者號(hào)、X-34、X43A、X-51A 高速飛行器表面非燒蝕防隔熱材料的應(yīng)用分布情況如下圖所示。

美國(guó)挑戰(zhàn)者號(hào)、X-34高速飛行器表面熱防護(hù)材料應(yīng)用

    剛性隔熱瓦是高速飛行器迎風(fēng)面主要采用的熱防護(hù)材料，經(jīng)過(guò)多年研制，剛性隔熱瓦由一元朝多元材料體系發(fā)展，通過(guò)結(jié)構(gòu)上的組合成功實(shí)現(xiàn)了多元體系兩元結(jié)構(gòu)的防隔熱一體化設(shè)計(jì)，其典型代表有：LI （Lock heed insulation）、FRCI （Fibrousrefractory composite insulation）、AETB（Alumina enhancedthermal barrier）、BRI（Boeing reusable insulation）幾代陶瓷纖維隔熱瓦以及新型防隔熱一體化材 TUFROC（Toughened uni-piece fibrous reinforced oxidization-resistant composite）。

    剛性隔熱瓦表面熱防護(hù)涂層也分別經(jīng)歷了：RCG（Reactioncured glass）、TUFI（Tougheneduni-piece fibrous）、HETC（Highefficency tantalum based ceramic composite structures）三代涂層的升級(jí)改進(jìn)。

    柔性隔熱氈是高速飛行器背風(fēng)面主要使用的熱防護(hù)材 料， 典 型 代 表 有：FRSI（Flexible reusable surface）、AFRSI（Advanced flexible reusable surface）、LHB（Lowheatblanket）、HHB（High heat blanket）、TABI（Tailorableadvanced blanket insulation）、CFBI（Composite flexible blanketinsulation）、CRI（conformal reusable insulation）、OFI（Opacifledfibrous insulation） 。

    柔性隔熱氈表面熱防護(hù)涂層也主要經(jīng)歷了：DC92、D-9、PCC （Protective ceramic coating）三代涂層的升級(jí)改進(jìn)。

    剛性隔熱瓦熱防護(hù)涂層

    雙層梯度涂層

    最早由美國(guó)宇航局 James.C Fletcher 提出，該涂層由阻擋內(nèi)層和輻射玻璃外層組成，內(nèi)層為 SiO 2 ，其作用是將輻射玻璃層和基體材料分開(kāi)，防止二者可能發(fā)生的反應(yīng)，另外它也可以很好地匹配基底材料的熱膨脹系數(shù)，使整體材料具有很好的抗熱震性。其外層由難溶輻射劑（SiC、CrO 2 CoO 2 NiO 2Si 3 N 4 CrO 2 等其中一種或幾種）、高硅玻璃和硼硅酸鹽玻璃組成，使涂層擁有高硬度、極高的輻射率以及抗熱震裂紋性能。

    固化玻璃涂層RCG

    該涂層是美國(guó)航天飛機(jī)剛性陶瓷瓦上首次得到使用的高輻射率涂層，它成功地被運(yùn)用在 LI-2200、LI-900 等第一代陶瓷隔熱瓦上。RCG 采用 SiB 4 作為輻射劑，以特別制備的高硅玻璃粉和硼硅酸鹽玻璃粉為粘結(jié)劑。最終使涂層具有低的熱膨脹系數(shù)、高的力學(xué)強(qiáng)度和高的輻射率等優(yōu)異性能，具有較高的抗熱沖擊強(qiáng)度和表面硬度，其高溫下的流動(dòng)性可以很好地使涂層達(dá)到高溫自愈合的作用，且可在 1480℃高溫下成功實(shí)現(xiàn)抗氧化。

    增韌單層纖維隔熱涂層TUFI

    TUFI 涂層被成功運(yùn)用到 FRCI、AETB、BRI 為代表的陶瓷隔熱瓦上。以高溫結(jié)構(gòu)材料 MoSi 2 作為輻射劑，以硼硅酸鹽玻璃作為粘結(jié)劑，以 SiB 6 作為燒結(jié)助劑，使涂層具有高的熔點(diǎn)、極好的高溫抗氧化性。

    高性能鉬基涂層

    主要由 MoSi 2 和 MoB 2 組成，可以在低溫下流動(dòng)，且可以起到抗氧化作用。鉬基涂層的熔點(diǎn)在 1949℃左右，軟化點(diǎn)在1593～1649℃，這說(shuō)明鉬基涂層具有比硅基涂層更好的耐溫性，同時(shí)鉬基涂層擁有高的輻射率、良好的抗沖擊性和抗氧化性。

    難熔金屬相超高溫?zé)岱雷o(hù)涂層

    該涂層由硼硅酸鹽玻璃作為內(nèi)層，硅酸鹽玻璃（如 SiC、HfC 等）作為外保護(hù)層，再添加一定量的難熔金屬相（如 Ti、Hf、Zr、Mo、Ni、Ta 等及其硅化物，氧化物，硼化物或碳化物等）。摻雜難熔金屬相復(fù)合材料可以在 1650℃下很好地保護(hù)基底材料， 起到很好地抵抗腐蝕、潮濕、高溫?zé)彷d荷等作用。

    防隔熱一體化梯度涂層TUFROC

    2010 年美國(guó)成功發(fā)射并返回的 X-37B 臨近空間飛行器的翼前緣、垂尾等部位首次使用了整體增韌抗氧化復(fù)合結(jié)構(gòu)材料TUFROC。其雙層結(jié)構(gòu)的內(nèi)層采用低熱導(dǎo)率的 AETB 或 FRCI，其表面涂覆了 TUFI 涂層，而外層則采用耐高溫的 ROCCI 材料。內(nèi)層作為過(guò)渡層可緩和涂層和基底的熱膨脹不匹配，外層起到高輻射抗氧化抗沖刷作用。ROCCI 表面涂覆了高效鉭基陶瓷復(fù)合涂層 HETC，中間過(guò)渡區(qū)域采用成分為 TaSi 2 、MoSi 2 、WSi 2等高輻射劑和含醇鹽的有機(jī)硅組成的高效粘結(jié)劑，這種設(shè)計(jì)將隔熱和防熱問(wèn)題耦合起來(lái)研究，真正實(shí)現(xiàn)了防隔熱一體化的梯度設(shè)計(jì)理念。

    柔性隔熱氈表面熱防護(hù)涂層

    柔性隔熱氈主要有 FRSI、AFRSI、LHB、HHB、TABI、CFBI、CRI、OFI，被廣泛運(yùn)用在飛行器機(jī)身表面大部分面積，如上翼、尾翼側(cè)面，升降舵輔助翼，剎車裝置中，如美國(guó)OV-099航天飛機(jī)。

美國(guó)OV-099航天飛機(jī)柔性隔熱氈表面涂層應(yīng)用

    其發(fā)展歷程包括：

    DC92型熱防護(hù)涂層

    該涂層由 50% ～ 55% 的膠態(tài)硅溶膠和 45% ～ 50% 的石英陶瓷顆粒組成。其中石英陶瓷顆粒作為增強(qiáng)相，膠態(tài)硅溶膠作為粘結(jié)劑，另外為了判斷涂層涂覆情況， SiB4 作顏料劑，通過(guò)氣相沉積混合氣體方式制備疏水涂層表面，可運(yùn)用到柔性隔熱氈 FRSI 剛性隔熱瓦 LI-900 和 FRCI 上。

    D-9型熱防護(hù)涂層

    該涂層由膠態(tài)的硅溶膠和不定形的 SiC 或 SiB6 組成，以異丙醇為溶劑，它具有低的熱膨脹系數(shù)，耐高溫性和抗熱震性能相比 DC92 提高。

    PCC型熱防護(hù)陶瓷涂層

    該涂層以氧化硅粉末和膠態(tài)的硅溶膠為混合物，以六硼化硅、四硼化硅、碳化硅、二硅化鉬、二硅化鎢、氧化鋯中的一種或幾種為輻射劑。高比表面積凝膠粒子與大尺寸 SiO 2 和硼化硅粘附在一起形成一個(gè)整體，使涂層粘度和熱穩(wěn)定性相對(duì)于 RCG、C-9 增加，六硼化硅在加熱過(guò)程中在硼硅酸鹽玻璃表面慢慢發(fā)生氧化形成表面薄膜，阻止涂層表面的揮發(fā)和進(jìn)一步氧化。PCC 不僅能耐受 1650℃高溫條件，同時(shí)具有高輻射率、高粘性和高穩(wěn)定性、低表面能等諸多優(yōu)點(diǎn)。

    結(jié)語(yǔ)

    未來(lái)的熱防護(hù)涂層的研究需改變以往涂層各功能單獨(dú)分開(kāi)設(shè)計(jì)的理念，需將涂層耐溫性、抗氧化性、高輻射率、抗沖刷性等多種有益性能綜合起來(lái)考慮，以實(shí)現(xiàn)多種功能一體化設(shè)計(jì)。