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航空航天热防护技术发展概述

摘要:本文简要介绍航空航天领域热防护技术的发展概况，重点介绍碳/碳复合材料、多孔纤维陶瓷材料、陶瓷基复合材料、热涂层技术、隔热材料、轻质烧蚀材料等，并对热防护技术的发展趋势作简要评述。

关键词:热防护技术; 碳泡沫材料; 多孔纤维陶瓷; 陶瓷基复合材料;热障涂层 ;隔热材料; 轻质烧蚀材料

前言

在航空航天领域，航天飞行器以高马赫数穿越稠密大气层飞行，飞行器表面会产生严重的气动加热，容易产生热损伤。因此热防护技术是航空航天领域至关重要的关键技术之一。

在航空航天领域，热防护主要采用防隔热材料的方式。下面简要介绍目前比较前沿的几种防隔热材料，轻质烧蚀材料、碳泡沫材料、多孔纤维陶瓷、陶瓷基复合材料、无机纤维隔热材料等的发展现状与应用。

1热防护材料发展概况

烧蚀类热防护材料发张历史较长，应用较广泛，如以纤维为增强填充材料的纤维增强酚醛材料和以酚醛树脂为粘合剂的热防护复合材料。目前应用最广泛的是纤维增强酚醛材料[1]。传统的烧蚀热防护是以牺牲热防护材料质量来换取防热的效果，无法应对当今航天器外形不变的要求，于是提出了非烧蚀材料的概念。非烧蚀材料是一种可以重复利用的新型热防护材料。对于该种材料来说，提高极限使用温度和高温性能、提高表明抗辐射、抗氧化能力、防隔热一体化和能量疏导耗散机制的结合是目前研究的热点和重点[2]。

因此下面将先简单介绍一下轻质烧蚀材料，然后重点介绍几种非热烧蚀材料，如碳泡沫材料、多孔纤维陶瓷、陶瓷基复合材料、无机纤维隔热材料以及热涂层技术。

2 轻质烧蚀材料[3]

2.1 基体材料。基体是烧蚀材料的主要组成部分,不仅能将材料中的各种组分结合成型，其性能好坏还直接影响整体结构性能。轻质烧蚀材料的基体材料一般包括弹性体和树脂基体两大类。

弹性体基体主要是各种橡胶及其混合物。硅橡胶具有延展率高、耐烧蚀和抗高温燃气冲刷的性能优点。但是，硅橡胶有密度较高、机械强度低和界面粘性差等缺点，因此应用受到一定限制。为此，研究人员对硅橡胶进行了大量的改性研究，其中改性的发展方向之一是共混改性,使烧蚀后碳层更加致密、坚固，提高了烧蚀性能。

树脂基体烧蚀材料一般具有高芳基化、高分子质量、高C/O比、高交联密度，高残碳率等特点，是一类性能优异的烧蚀材料。目前较为成熟的树脂基体主要有硅树脂、酚醛树脂以及新型的聚芳基乙炔树脂等。

2.2 填料。作为烧蚀材料另一重要组成部分，填料主要起着提高烧蚀材料的机械性能、降低绝热层的导热系数、提高隔热效率、增强碳化层耐高温燃气冲刷性能和降低烧蚀率等作用。

3碳泡沫材料

碳泡沫主要有两种形态：一种是韧带网络型泡沫，另一种是微球型碳泡沫。

3.1韧带网络型泡沫。韧带网络型碳泡沫是一种石墨增强韧带网络型泡沫材料。该泡沫以沥青或聚合物等作为先驱体,通过石墨化和高温炭化处理,将无定形碳转化为多孔石墨韧带微结构,形成网状泡沫韧带,其性能与结构优于现有的碳/碳复合材料[1]。该种碳泡沫材料具有以下特点：一是泡沫和韧带是任意排列于三维空间，因此具有各向同性的力学性能;二是韧带具有纤维结构的性能特征。并且这种碳泡沫材料的热导率大约是铜的6倍，是一种良好的导热泡沫材料。

3.2微球型碳泡沫。 空心碳微球泡沫是以高残碳树脂或中间相沥青为先驱体，先制成几何尺寸为微米的纳米级的空心微球，再用适当的树脂作粘合剂将其注模成型，在氮气和氩气的气氛中经1100―2400℃的碳化和石墨化，得到空心微球结构的碳泡沫，当将其从室温高速加热到3100℃时，这种材料仍然具有良好的力学性能，导热率较低，且由于微球大多是开孔的，力学性能欠佳。但用甲阶酚醛树脂为原型，通过微胶囊法先制备出酚醛树脂空心微球，注模成型，再经过碳化和石墨化处理，所制得的碳泡沫材料中的微球均是闭孔的，隔热性能和力学性能更为理想。

4多孔纤维陶瓷

多孔陶瓷具有化学性质稳定、比表面积大、耐热能力强、密度较低、刚度高、热导率低等优点,并且在力学、化学、热学、光学、电学等方面具有独特的性能,目前在分离过滤、换热、载体、蓄热、吸声隔音、隔热、曝气、电极、传感器、生物植入等诸多方面都有着广泛的应用。在航空航天领域也不例外,如热防护系统中应用多孔陶瓷热障材料,在飞行器外壳隔热、发汗冷却构件、燃气轮机高温合金部件表面热防护等方面,可起到低金属表面温度、提高燃气工作温度、改善燃气效率、延长热端部件使用寿命的重要作用。

多孔纤维陶瓷具有各向异性的导热性能，有很多应用。作为热防护材料的陶瓷热障，因其导热的各向异性，在厚度方向上热导率较小，在垂直于厚度方向上的热导率较大，能够起到隔热和均布表面温度的效果,根据文献[4]中的计算和实验表明，多孔纤维陶瓷材料在一个方向的热导率是另一个方向的3倍左右，因此在厚度方向可以有效隔热的同时，还可以在表面方向上均布温度场，能非常有效的防止局部高温的出现。

5 陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料是在陶瓷集体中引入第二相材料所构成的的多相复合材料。在陶瓷中加入纤维能大幅度提高材料的强度、改善陶瓷材料脆的缺点，并提高使用温度。因此陶瓷基复合材料不仅具有陶瓷耐高温、抗氧化、耐磨、耐腐蚀的优点，同时由于纤维的引入，时其具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，克服一般陶瓷材料脆性大、可靠性差的致命弱点[5]。

克服陶瓷脆性的方法主要包括连续纤维增韧、想变增韧、微裂纹增韧以及晶须晶片增韧等。其中连续纤维增韧碳化硅基复合材料是目前最受关注的陶瓷基复合材料。

连续纤维增强陶瓷基复合材料具有高比强、高比模、高可靠性、耐高温等优点，已经成为军事、航天、能源等领域理想的高温结构材料。主要应用于发动机燃烧室、喉衬、喷管等热结构件以及飞行器机翼前缘、控制面、机身迎风面、鼻锥等防热构件。

6 无机纤维隔热材料

隔热材料分为刚性隔热材料和柔性隔热材料，其中刚性隔热材料的研究已经基本成熟，这里主要介绍柔性隔热材料。

近几年比较受关注的新型隔热材料有：纳米隔热材料和功能梯度材料。

纳米隔热材料由于其独特的微结构特征赋予了材料极其优异的隔热性能 。 艾姆斯研究中心、马赛尔空间飞行中心和肯尼迪空间中心分别开展了纳米隔热材料的研究工作。在1999年时纳米隔热材料的研究就已经达到了相当成熟的阶段。 在实用化方面，纳米隔热材料已经成功应用于火星探测器的个别温度敏感部件及星云捕获器上。此外德国、瑞典、以色列、日本等国也开展了新型纳米隔热材料的研究工作。目前已经报道的常温常压下纳米隔热材料最低的热导率为0.013 W/ (m・k)，比静止空气的低一半。有资料报道的纳米隔热材料的使用温度一般都小于500 ℃，机械强度比较差。进一步提高纳米隔热材料的使用温度及其它综合性能将是今后研究工作的重点。

功能梯度材料的是由日本学者平井敏雄等在20世纪80年代首先提出的,他们最初打算将该材料应用于航天飞机的热防护系统和发动机的热端部件。功能梯度材料一种其构成材料的要素组成和结构沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化,从而使材料的性能也呈梯度变化的新型材料。功能梯度材料在解决航空航天材料耐热性、长寿命、隔热性和强韧性等特性时显示了十分巨大的应用潜力。在导热系数达到设计要求的前提下，它能克服多层热防护材料之间的层间缺陷和小块材料之间连接困难的不足。这应该是会成为未来航空航天热防护系统新一代的隔热材料。

7 热障涂层技术

当今航空发动机的主要发展方向之一是提高发动机涡轮前进口温度，以此来提高发动机的热效率。但随着涡轮前进口温度的提高，发动机热端部件所经受的燃气温度和燃气压力不断提高。从上世纪40年代到上世纪末，航空发动机的工作温度快速上升，燃气温度已超过 1650 ℃。预计很快将达到1930℃。这样高的温度已经大大超过现有合金的极限工作温度，因此，必须采用相应的措施。

一方面，可以向上面提到的一样继续研制新型高温材料，提高高温合金的耐热性能;另一方面，采用先进的冷却技术，如叶片冷却气膜设计及制造工艺的改进。在过去的50多年中，隔热材料对提高发动机工作温度已经做出了很大贡献。但是在当前使用的发动机的工作温度下，燃气温度已超过镍基合金的熔点，基体材料本身以及发动机结构设计的改进使高温合金甚至单晶高温合金几乎已达到其耐热极限，因此要想通过合金材料大幅度提高热端部件、尤其是叶片的工作温度已经极端困难。70 年代先进气膜冷却技术也因为高性能发动机的发展，发动机中可用冷气流量越来越少，依靠气膜冷却技术进一步提高降温效果已没有太大的空间。在这种情况下，为了满足先进航空发动机对材料更苛刻的性能要求，热障涂层技术得到了广泛的应用和发展。

热障涂层是有导热性较差的陶瓷氧化物和起粘性作用的底层组成的防热系统，可以明显降低基体温度，具有硬度高、高化学稳定性等优点，能够防止高温腐蚀、延长热端部件的使用寿命，提高发动机功率和减少燃油消耗。

热障涂层的制备技术主要有：常规等离子喷涂、高能等离子喷涂、低压等离子喷涂、电子束物理气相沉积等[6]。

目前，已获实际工程应用的双层结构热障涂层的材料体系主要由4个材料基元组成：高温合金基体、陶瓷层、基体与涂层间的金属粘结层及在陶瓷涂层与过渡层之间形成的热生长氧化层(以氧化铝为主要物质成分)。其中，合金基体主要承受机械载荷;陶瓷涂层是隔热材料;粘结层在涂层受热和冷却过程中能缓解基体与陶瓷层的热不匹配。在热循环载荷作用下，各材料基元间遵循动力学原理相互作用，以动态平衡方式控制整体材料的热力学性能和使用寿命。

8结束语

在航空航天领域，热防护是重要研究课题之一，随着新一代航天器的研发，对热防护提出了越来越高的要求。在研究传统防热材料的同时，许多新型材料相继被人们关注。上面提到的碳泡沫材料、多孔纤维陶瓷、陶瓷基复合材料、隔热材料、轻质烧蚀材料都是非常有前景的防热材料，在未来的航空航天领域中将继续发挥越来越大的作用。同时，冷却和热涂层技术也将会不断完善已面对新的要求。