航空航天技术论文

　　摘要:本文扼要引见航空航天范畴热防护技术的开展概略，重点引见碳/碳复合资料、多孔纤维陶瓷资料、陶瓷基复合资料、热涂层技术、隔热资料、轻质烧蚀资料等，并对热防护技术的开展趋向作扼要评述。

　　关键词:热防护技术； 碳泡沫资料； 多孔纤维陶瓷； 陶瓷基复合资料；热障涂层 ；隔热资料； 轻质烧蚀资料

　　前言

　　在航空航天范畴，航天飞行器以高马赫数穿越稠密大气层飞行，飞行器外表会产生严重的气动加热，容易产生热损伤。因而热防护技术是航空航天范畴至关重要的关键技术之一。

　　在航空航天范畴，热防护主要采用防隔热资料的方式。下面扼要引见目前比拟前沿的几种防隔热资料，轻质烧蚀资料、碳泡沫资料、多孔纤维陶瓷、陶瓷基复合资料、无机纤维隔热资料等的开展现状与应用。

　　1热防护资料开展概略

　　烧蚀类热防护资料发张历史较长，应用较普遍，如以纤维为加强填充资料的纤维加强酚醛资料和以酚醛树脂为粘合剂的热防护复合资料。目前应用最普遍的是纤维加强酚醛资料［1］。传统的烧蚀热防护是以牺牲热防护资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请求，于是提出了非烧蚀资料的概念。非烧蚀资料是一种能够反复应用的新型热防护资料。关于该种资料来说，提高极限运用温度和高温性能、提高标明抗辐射、抗氧化才能、防隔热一体化和能量引导耗散机制的分离是目前研讨的热点和重点［2］。

　　因而下面将先简单引见一下轻质烧蚀资料，然后重点引见几种非热烧蚀资料，如碳泡沫资料、多孔纤维陶瓷、陶瓷基复合资料、无机纤维隔热资料以及热涂层技术。

　　2 轻质烧蚀资料［3］

　　2.1 基体资料。基体是烧蚀资料的主要组成局部,不只能将资料中的各种组分分离成型，其性能好坏还直接影响整体构造性能。轻质烧蚀资料的基体资料普通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陷，因而应用遭到一定限制。为此，研讨人员对硅橡胶进行了大量的改性研讨，其中改性的开展方向之一是共混改性,使烧蚀后碳层愈加致密、巩固，提高了烧蚀性能。

　　树脂基体烧蚀资料普通具有高芳基化、高分子质量、高C/O比、高交联密度，高残碳率等特性，是一类性能优良的烧蚀资料。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。作为烧蚀资料另一重要组成局部，填料主要起着提高烧蚀资料的机械性能、降低绝热层的导热系数、提高隔热效率、加强碳化层耐高温燃气冲刷性能和降低烧蚀率等作用。

　　3碳泡沫资料

　　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加强韧带网络型泡沫资料。该泡沫以沥青或聚合物等作为先驱体,经过石墨化和高温炭化处置,将无定形碳转化为多孔石墨韧带微构造,构成网状泡沫韧带,其性能与构造优于现有的碳/碳复合资料［1］。该种碳泡沫资料具有以下特性：一是泡沫和韧带是恣意排列于三维空间，因而具有各向同性的力学性能；二是韧带具有纤维构造的性能特征。并且这种碳泡沫资料的热导率大约是铜的6倍，是一种良好的导热泡沫资料。

　　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，再用恰当的树脂作粘合剂将其注模成型，在氮气和氩气的氛围中经1100―2400℃的碳化和石墨化，得到空心微球构造的碳泡沫，当将其从室温高速加热到3100℃时，这种资料依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，经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置，所制得的碳泡沫资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、比外表积大、耐热才能强、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、电学等方面具有共同的性能,目前在别离过滤、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普遍的应用。在航空航天范畴也不例外,如热防护系统中应用多孔陶瓷热障资料,在飞行器外壳隔热、发汗冷却构件、燃气轮机高温合金部件外表热防护等方面,可起到低金属外表温度、提高燃气工作温度、改善燃气效率、延长热端部件运用寿命的重要作用。

　　多孔纤维陶瓷具有各向异性的导热性能，有很多应用。作为热防护资料的陶瓷热障，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，可以起到隔热和均布外表温度的效果,依据文献［4］中的计算和实验标明，多孔纤维陶瓷资料在一个方向的热导率是另一个方向的3倍左右，因而在厚度方向能够有效隔热的同时，还能够在外表方向上均布温度场，能十分有效的避免部分高温的呈现。

　　5 陶瓷基复合资料

　　陶瓷基复合资料是在陶瓷集体中引入第二相资料所构成的的多相复合资料。在陶瓷中参加纤维能大幅度提高资料的强度、改善陶瓷资料脆的缺陷，并提高运用温度。因而陶瓷基复合资料不只具有陶瓷耐高温、抗氧化、耐磨、耐腐蚀的优点，同时由于纤维的引入，时其具有相似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，克制普通陶瓷资料脆性大、牢靠性差的致命弱点［5］。

　　克制陶瓷脆性的办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资料是目前最受关注的陶瓷基复合资料。

　　连续纤维加强陶瓷基复合资料具有高比强、高比模、高牢靠性、耐高温等优点，曾经成为军事、航天、能源等范畴理想的高温构造资料。主要应用于发起机熄灭室、喉衬、喷管等热构造件以及飞行器机翼前缘、控制面、机身顶风面、鼻锥等防热构件。

　　6 无机纤维隔热资料

　　隔热资料分为刚性隔热资料和柔性隔热资料，其中刚性隔热资料的研讨曾经根本成熟，这里主要引见柔性隔热资料。

　　近几年比拟受关注的新型隔热资料有：纳米隔热资料和功用梯度资料。

　　纳米隔热资料由于其共同的微构造特征赋予了资料极端优良的隔热性能 。 艾姆斯研讨中心、马赛尔空间飞行中心和肯尼迪空间中心分别展开了纳米隔热资料的研讨工作。在1999年时纳米隔热资料的研讨就曾经到达了相当成熟的阶段。 在适用化方面，纳米隔热资料曾经胜利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、日本等国也展开了新型纳米隔热资料的研讨工作。目前曾经报道的常温常压下纳米隔热资料最低的热导率为0.013 W/ （mk），比静止空气的低一半。有材料报道的纳米隔热资料的运用温度普通都小于500 ℃，机械强度比拟差。进一步提高纳米隔热资料的运用温度及其它综合性能将是今后研讨工作的重点。

　　功用梯度资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,他们最初打算将该资料应用于航天飞机的热防护系统和发起机的`热端部件。功用梯度资料一种其构成资料的要素组成和构造沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化,从而使资料的性能也呈梯度变化的新型资料。功用梯度资料在处理航空航天资料耐热性、短命命、隔热性和强韧性等特性时显现了非常宏大的应用潜力。在导热系数到达设计请求的前提下，它能克制多层热防护资料之间的层间缺陷和小块资料之间衔接艰难的缺乏。这应该是会成为将来航空航天热防护系统新一代的隔热资料。

　　7 热障涂层技术

　　当今航空发起机的主要开展方向之一是提高发起机涡轮行进口温度，以此来提高发起机的热效率。但随着涡轮行进口温度的提高，发起机热端部件所禁受的燃气温度和燃气压力不时提高。从上世纪40年代到上世纪末，航空发起机的工作温度快速上升，燃气温度已超越 1650 ℃。估计很快将到达1930℃。这样高的温度曾经大大超越现有合金的极限工作温度，因而，必需采用相应的措施。

　　一方面，能够向上面提到的一样继续研制新型高温资料，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良。在过去的50多年中，隔热资料对提高发起机工作温度曾经做出了很大奉献。但是在当前运用的发起机的工作温度下，燃气温度已超越镍基合金的熔点，基体资料自身以及发起机构造设计的改良使高温合金以至单晶高温合金简直已到达其耐热极限，因而要想经过合金资料大幅度提高热端部件、特别是叶片的工作温度曾经极端艰难。70 年代先进气膜冷却技术也由于高性能发起机的开展，发起机中可用冷气流量越来越少，依托气膜冷却技术进一步提高降温效果已没有太大的空间。在这种状况下，为了满足先进航空发起机对资料更苛刻的性能请求，热障涂层技术得到了普遍的应用和开展。

　　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，能够明显降低基体温度，具有硬度高、高化学稳定性等优点，可以避免高温腐蚀、延长热端部件的运用寿命，提高发起机功率和减少燃油耗费。

　　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、电子束物理气相堆积等［6］。

　　目前，已获实践工程应用的双层构造热障涂层的资料体系主要由4个资料基元组成：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构成的热生长氧化层（以氧化铝为主要物质成分）。其中，合金基体主要接受机械载荷；陶瓷涂层是隔热资料；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，各资料基元间遵照动力学原理互相作用，以动态均衡方式控制整体资料的热力学性能和运用寿命。

　　8完毕语

　　在航空航天范畴，热防护是重要研讨课题之一，随着新一代航天器的研发，对热防护提出了越来越高的请求。在研讨传统防热资料的同时，许多新型资料相继被人们关注。上面提到的碳泡沫资料、多孔纤维陶瓷、陶瓷基复合资料、隔热资料、轻质烧蚀资料都是十分有前景的防热资料，在将来的航空航天范畴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时完善已面对新的请求。