航空航天技術(shù)論文

　　摘要:本文扼要引見(jiàn)航空航天范疇熱防護(hù)技術(shù)的開(kāi)展概略，重點(diǎn)引見(jiàn)碳/碳復(fù)合資料、多孔纖維陶瓷資料、陶瓷基復(fù)合資料、熱涂層技術(shù)、隔熱資料、輕質(zhì)燒蝕資料等，并對(duì)熱防護(hù)技術(shù)的開(kāi)展趨向作扼要評(píng)述。

　　關(guān)鍵詞:熱防護(hù)技術(shù)； 碳泡沫資料； 多孔纖維陶瓷； 陶瓷基復(fù)合資料；熱障涂層 ；隔熱資料； 輕質(zhì)燒蝕資料

　　前言

　　在航空航天范疇，航天飛行器以高馬赫數(shù)穿越稠密大氣層飛行，飛行器外表會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱，容易產(chǎn)生熱損傷。因而熱防護(hù)技術(shù)是航空航天范疇至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　在航空航天范疇，熱防護(hù)主要采用防隔熱資料的方式。下面扼要引見(jiàn)目前比擬前沿的幾種防隔熱資料，輕質(zhì)燒蝕資料、碳泡沫資料、多孔纖維陶瓷、陶瓷基復(fù)合資料、無(wú)機(jī)纖維隔熱資料等的開(kāi)展現(xiàn)狀與應(yīng)用。

　　1熱防護(hù)資料開(kāi)展概略

　　燒蝕類(lèi)熱防護(hù)資料發(fā)張歷史較長(zhǎng)，應(yīng)用較普遍，如以纖維為加強(qiáng)填充資料的纖維加強(qiáng)酚醛資料和以酚醛樹(shù)脂為粘合劑的熱防護(hù)復(fù)合資料。目前應(yīng)用最普遍的是纖維加強(qiáng)酚醛資料［1］。傳統(tǒng)的燒蝕熱防護(hù)是以犧牲熱防護(hù)資料質(zhì)量來(lái)?yè)Q取防熱的效果，無(wú)法應(yīng)對(duì)當(dāng)今航天器外形不變的請(qǐng)求，于是提出了非燒蝕資料的概念。非燒蝕資料是一種能夠反復(fù)應(yīng)用的新型熱防護(hù)資料。關(guān)于該種資料來(lái)說(shuō)，提高極限運(yùn)用溫度和高溫性能、提高標(biāo)明抗輻射、抗氧化才能、防隔熱一體化和能量引導(dǎo)耗散機(jī)制的分離是目前研討的熱點(diǎn)和重點(diǎn)［2］。

　　因而下面將先簡(jiǎn)單引見(jiàn)一下輕質(zhì)燒蝕資料，然后重點(diǎn)引見(jiàn)幾種非熱燒蝕資料，如碳泡沫資料、多孔纖維陶瓷、陶瓷基復(fù)合資料、無(wú)機(jī)纖維隔熱資料以及熱涂層技術(shù)。

　　2 輕質(zhì)燒蝕資料［3］

　　2.1 基體資料。基體是燒蝕資料的主要組成局部,不只能將資料中的各種組分分離成型，其性能好壞還直接影響整體構(gòu)造性能。輕質(zhì)燒蝕資料的基體資料普通包括彈性體和樹(shù)脂基體兩大類(lèi)。

　　彈性體基體主要是各種橡膠及其混合物。硅橡膠具有延展率高、耐燒蝕和抗高溫燃?xì)鉀_刷的性能優(yōu)點(diǎn)。但是，硅橡膠有密度較高、機(jī)械強(qiáng)度低和界面粘性差等缺陷，因而應(yīng)用遭到一定限制。為此，研討人員對(duì)硅橡膠進(jìn)行了大量的改性研討，其中改性的開(kāi)展方向之一是共混改性,使燒蝕后碳層愈加致密、鞏固，提高了燒蝕性能。

　　樹(shù)脂基體燒蝕資料普通具有高芳基化、高分子質(zhì)量、高C/O比、高交聯(lián)密度，高殘?zhí)悸实忍匦裕�是一�?lèi)性能優(yōu)良的燒蝕資料。目前較為成熟的樹(shù)脂基體主要有硅樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂以及新型的聚芳基乙炔樹(shù)脂等。

　　2.2 填料。作為燒蝕資料另一重要組成局部，填料主要起著提高燒蝕資料的機(jī)械性能、降低絕熱層的導(dǎo)熱系數(shù)、提高隔熱效率、加強(qiáng)碳化層耐高溫燃?xì)鉀_刷性能和降低燒蝕率等作用。

　　3碳泡沫資料

　　碳泡沫主要有兩種形態(tài)：一種是韌帶網(wǎng)絡(luò)型泡沫，另一種是微球型碳泡沫。

　　3.1韌帶網(wǎng)絡(luò)型泡沫。韌帶網(wǎng)絡(luò)型碳泡沫是一種石墨加強(qiáng)韌帶網(wǎng)絡(luò)型泡沫資料。該泡沫以瀝青或聚合物等作為先驅(qū)體,經(jīng)過(guò)石墨化和高溫炭化處置,將無(wú)定形碳轉(zhuǎn)化為多孔石墨韌帶微構(gòu)造,構(gòu)成網(wǎng)狀泡沫韌帶,其性能與構(gòu)造優(yōu)于現(xiàn)有的碳/碳復(fù)合資料［1］。該種碳泡沫資料具有以下特性：一是泡沫和韌帶是恣意排列于三維空間，因而具有各向同性的力學(xué)性能；二是韌帶具有纖維構(gòu)造的性能特征。并且這種碳泡沫資料的熱導(dǎo)率大約是銅的6倍，是一種良好的導(dǎo)熱泡沫資料。

　　3.2微球型碳泡沫。 空心碳微球泡沫是以高殘?zhí)紭?shù)脂或中間相瀝青為先驅(qū)體，先制成幾何尺寸為微米的納米級(jí)的空心微球，再用恰當(dāng)?shù)臉?shù)脂作粘合劑將其注模成型，在氮?dú)夂蜌鍤獾姆諊�中�?jīng)1100―2400℃的碳化和石墨化，得到空心微球構(gòu)造的碳泡沫，當(dāng)將其從室溫高速加熱到3100℃時(shí)，這種資料依然具有良好的力學(xué)性能，導(dǎo)熱率較低，且由于微球大多是開(kāi)孔的，力學(xué)性能欠佳。但用甲階酚醛樹(shù)脂為原型，經(jīng)過(guò)微膠囊法先制備出酚醛樹(shù)脂空心微球，注模成型，再經(jīng)過(guò)碳化和石墨化處置，所制得的碳泡沫資料中的微球均是閉孔的，隔熱性能和力學(xué)性能更為理想。

　　4多孔纖維陶瓷

　　多孔陶瓷具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、比外表積大、耐熱才能強(qiáng)、密度較低、剛度高、熱導(dǎo)率低等優(yōu)點(diǎn),并且在力學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等方面具有共同的性能,目前在別離過(guò)濾、換熱、載體、蓄熱、吸聲隔音、隔熱、曝氣、電極、傳感器、生物植入等諸多方面都有著普遍的應(yīng)用。在航空航天范疇也不例外,如熱防護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)用多孔陶瓷熱障資料,在飛行器外殼隔熱、發(fā)汗冷卻構(gòu)件、燃?xì)廨啓C(jī)高溫合金部件外表熱防護(hù)等方面,可起到低金屬外表溫度、提高燃?xì)夤ぷ鳒囟取⒏纳迫細(xì)庑�率、延長(zhǎng)熱端部件運(yùn)用壽命的重要作用。

　　多孔纖維陶瓷具有各向異性的導(dǎo)熱性能，有很多應(yīng)用。作為熱防護(hù)資料的陶瓷熱障，因其導(dǎo)熱的各向異性，在厚度方向上熱導(dǎo)率較小，在垂直于厚度方向上的熱導(dǎo)率較大，可以起到隔熱和均布外表溫度的效果,依據(jù)文獻(xiàn)［4］中的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)標(biāo)明，多孔纖維陶瓷資料在一個(gè)方向的熱導(dǎo)率是另一個(gè)方向的3倍左右，因而在厚度方向能夠有效隔熱的同時(shí)，還能夠在外表方向上均布溫度場(chǎng)，能十分有效的避免部分高溫的呈現(xiàn)。

　　5 陶瓷基復(fù)合資料

　　陶瓷基復(fù)合資料是在陶瓷集體中引入第二相資料所構(gòu)成的的多相復(fù)合資料。在陶瓷中參加纖維能大幅度提高資料的強(qiáng)度、改善陶瓷資料脆的缺陷，并提高運(yùn)用溫度。因而陶瓷基復(fù)合資料不只具有陶瓷耐高溫、抗氧化、耐磨、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于纖維的引入，時(shí)其具有相似金屬的斷裂行為，對(duì)裂紋不敏感，克制普通陶瓷資料脆性大、牢靠性差的致命弱點(diǎn)［5］。

　　克制陶瓷脆性的辦法主要包括連續(xù)纖維增韌、想變?cè)鲰g、微裂紋增韌以及晶須晶片增韌等。其中連續(xù)纖維增韌碳化硅基復(fù)合資料是目前最受關(guān)注的陶瓷基復(fù)合資料。

　　連續(xù)纖維加強(qiáng)陶瓷基復(fù)合資料具有高比強(qiáng)、高比模、高牢靠性、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，曾經(jīng)成為軍事、航天、能源等范疇理想的高溫構(gòu)造資料。主要應(yīng)用于發(fā)起機(jī)熄滅室、喉襯、噴管等熱構(gòu)造件以及飛行器機(jī)翼前緣、控制面、機(jī)身頂風(fēng)面、鼻錐等防熱構(gòu)件。

　　6 無(wú)機(jī)纖維隔熱資料

　　隔熱資料分為剛性隔熱資料和柔性隔熱資料，其中剛性隔熱資料的研討曾經(jīng)根本成熟，這里主要引見(jiàn)柔性隔熱資料。

　　近幾年比擬受關(guān)注的新型隔熱資料有：納米隔熱資料和功用梯度資料。

　　納米隔熱資料由于其共同的微構(gòu)造特征賦予了資料極端優(yōu)良的隔熱性能 。 艾姆斯研討中心、馬賽爾空間飛行中心和肯尼迪空間中心分別展開(kāi)了納米隔熱資料的研討工作。在1999年時(shí)納米隔熱資料的研討就曾經(jīng)到達(dá)了相當(dāng)成熟的階段。 在適用化方面，納米隔熱資料曾經(jīng)勝利應(yīng)用于火星探測(cè)器的個(gè)別溫度敏感部件及星云捕獲器上。此外德國(guó)、瑞典、以色列、日本等國(guó)也展開(kāi)了新型納米隔熱資料的研討工作。目前曾經(jīng)報(bào)道的常溫常壓下納米隔熱資料最低的熱導(dǎo)率為0.013 W/ （mk），比靜止空氣的低一半。有材料報(bào)道的納米隔熱資料的運(yùn)用溫度普通都小于500 ℃，機(jī)械強(qiáng)度比擬差。進(jìn)一步提高納米隔熱資料的運(yùn)用溫度及其它綜合性能將是今后研討工作的重點(diǎn)。

　　功用梯度資料的是由日本學(xué)者平井敏雄等在20世紀(jì)80年代首先提出的,他們最初打算將該資料應(yīng)用于航天飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)和發(fā)起機(jī)的熱端部件。功用梯度資料一種其構(gòu)成資料的要素組成和構(gòu)造沿厚度方向由一側(cè)向另一側(cè)呈連續(xù)變化,從而使資料的性能也呈梯度變化的新型資料。功用梯度資料在處理航空航天資料耐熱性、短命命、隔熱性和強(qiáng)韌性等特性時(shí)顯現(xiàn)了非常宏大的應(yīng)用潛力。在導(dǎo)熱系數(shù)到達(dá)設(shè)計(jì)請(qǐng)求的前提下，它能克制多層熱防護(hù)資料之間的層間缺陷和小塊資料之間銜接艱難的缺乏。這應(yīng)該是會(huì)成為將來(lái)航空航天熱防護(hù)系統(tǒng)新一代的隔熱資料。

　　7 熱障涂層技術(shù)

　　當(dāng)今航空發(fā)起機(jī)的主要開(kāi)展方向之一是提高發(fā)起機(jī)渦輪行進(jìn)口溫度，以此來(lái)提高發(fā)起機(jī)的熱效率。但隨著渦輪行進(jìn)口溫度的提高，發(fā)起機(jī)熱端部件所禁受的燃?xì)鉁囟群腿細(xì)鈮毫Σ粫r(shí)提高。從上世紀(jì)40年代到上世紀(jì)末，航空發(fā)起機(jī)的工作溫度快速上升，燃?xì)鉁囟纫殉��?1650 ℃。估計(jì)很快將到達(dá)1930℃。這樣高的溫度曾經(jīng)大大超越現(xiàn)有合金的極限工作溫度，因而，必需采用相應(yīng)的措施。

　　一方面，能夠向上面提到的一樣繼續(xù)研制新型高溫資料，提高高溫合金的耐熱性能；另一方面，采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)，如葉片冷卻氣膜設(shè)計(jì)及制造工藝的改良。在過(guò)去的50多年中，隔熱資料對(duì)提高發(fā)起機(jī)工作溫度曾經(jīng)做出了很大奉獻(xiàn)。但是在當(dāng)前運(yùn)用的發(fā)起機(jī)的工作溫度下，燃?xì)鉁囟纫殉�越鎳基合金的熔點(diǎn)，基體資料自身以及發(fā)起機(jī)構(gòu)造設(shè)計(jì)的改良使高溫合金以至單晶高溫合金簡(jiǎn)直已到達(dá)其耐熱極限，因而要想經(jīng)過(guò)合金資料大幅度提高熱端部件、特別是葉片的工作溫度曾經(jīng)極端艱難。70 年代先進(jìn)氣膜冷卻技術(shù)也由于高性能發(fā)起機(jī)的開(kāi)展，發(fā)起機(jī)中可用冷氣流量越來(lái)越少，依托氣膜冷卻技術(shù)進(jìn)一步提高降溫效果已沒(méi)有太大的空間。在這種狀況下，為了滿(mǎn)足先進(jìn)航空發(fā)起機(jī)對(duì)資料更苛刻的性能請(qǐng)求，熱障涂層技術(shù)得到了普遍的應(yīng)用和開(kāi)展。

　　熱障涂層是有導(dǎo)熱性較差的陶瓷氧化物和起粘性作用的底層組成的防熱系統(tǒng)，能夠明顯降低基體溫度，具有硬度高、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，可以避免高溫腐蝕、延長(zhǎng)熱端部件的運(yùn)用壽命，提高發(fā)起機(jī)功率和減少燃油耗費(fèi)。

　　熱障涂層的制備技術(shù)主要有：常規(guī)等離子噴涂、高能等離子噴涂、低壓等離子噴涂、電子束物理氣相堆積等［6］。

　　目前，已獲實(shí)踐工程應(yīng)用的雙層構(gòu)造熱障涂層的資料體系主要由4個(gè)資料基元組成：高溫合金基體、陶瓷層、基體與涂層間的金屬粘結(jié)層及在陶瓷涂層與過(guò)渡層之間構(gòu)成的熱生長(zhǎng)氧化層（以氧化鋁為主要物質(zhì)成分）。其中，合金基體主要接受機(jī)械載荷；陶瓷涂層是隔熱資料；粘結(jié)層在涂層受熱和冷卻過(guò)程中能緩解基體與陶瓷層的熱不匹配。在熱循環(huán)載荷作用下，各資料基元間遵照動(dòng)力學(xué)原理互相作用，以動(dòng)態(tài)均衡方式控制整體資料的熱力學(xué)性能和運(yùn)用壽命。

　　8完畢語(yǔ)

　　在航空航天范疇，熱防護(hù)是重要研討課題之一，隨著新一代航天器的研發(fā)，對(duì)熱防護(hù)提出了越來(lái)越高的請(qǐng)求。在研討傳統(tǒng)防熱資料的同時(shí)，許多新型資料相繼被人們關(guān)注。上面提到的碳泡沫資料、多孔纖維陶瓷、陶瓷基復(fù)合資料、隔熱資料、輕質(zhì)燒蝕資料都是十分有前景的防熱資料，在將來(lái)的航空航天范疇中將繼續(xù)發(fā)揮越來(lái)越大的作用。同時(shí)，冷卻和熱涂層技術(shù)也將會(huì)不時(shí)完善已面對(duì)新的請(qǐng)求。

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