航天器热防护材料研究现状与发展趋势_石振海.docx
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1、航天器热防护材料研究现状与发展趋势_石振海*西北工业大学博士论文创新基金赞助(CX200405)石振海:1960年生,博士研究生,主要从事热防护材料的研究Tel:029-*E-mail:shizhenhai9307航天器热防护材料研究现状与发展趋势*石振海,李克智,李贺军,田卓(西北工业大学材料学院,西安710072)摘要热防护系统中所采用的多层复合热防护材料的层间界面结合和小块材料之间的连接对航天器的可靠性有很大影响,目前二者都存在一定的缺陷。根据功能梯度材料和C/C复合材料的理论,将高导热率碳泡沫和低导热率碳微球设计成密度和热导率功能梯度热防护碳泡沫材料,使其具备组分之间无层间界面和小块材
2、料间易于连接等特点。关键词热防护材料碳泡沫功能梯度材料C/C复合材料ResearchStatusandApplicationAdvanceofHeatResistantMaterialsforSpaceVehiclesSHIZhenhai,LIKezhi,LIHejun,TIANZhuo(SchoolofMaterialsScience,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xian710072)AbstractThereliabilityofspacevehiclesismuchaffectedbytheinterfacebondingofmulti-lay
3、erheatresist-antmaterialsandthejoiningofsmallermaterialsinthethermalprotectionsystem.However,therearedefectsinbothaspects.BasedonthetheoriesconcerningfunctionalgradientmaterialsandC/Ccomposites,awayisdesignedtopre-pareafunctionalgradientcarbonfoamwithdensityandheatconductivityforthermalprotectionfro
4、mthecarbonfoamwithhighheatconductivityandthecarbonmicrospherewithlowheatconductivity.Theadvantagesofthenewlydesignedmateriallieinthattherearenointerfacesbetweenlayersofmaterialsandsmallerpiecesofmaterialsareeasytojoin.Keywordsheat-resistantmaterial,carbonfoam,functionalgradientmaterial,C/Ccomposites
5、1航天器的热防护系统和热防护材料热防护系统(Thermalprotectionsystem,简称TPS)是各国正在研制的可重复使用于航天(空天)飞行器上的关键部件之一1,2。航天器的热防护系统是指使用特定的热防护功能材料3,通过一定的散热和隔热措施,使航天器的内壁温度保持在允许范围之内4。因而,热防护系统和热防护材料的开发是各类航天器研究的重要领域之一5。1.1热防护系统的设计航天器通用热防护材料的早期构造设计如图1所示6。图1航天器通用热防护构造示意图它一般由外烧蚀层、承力构造层、隔热层、铝蜂窝散热层构成。这种基本设计在实际运用中通过材料的选用、制造工艺的改良使其性能不断提高,适应了多种航天
6、器的热防护需求6,7。经太多年来的不断改良,已在很多国家的航天器上得到了成功应用8,9。但是,这种设计的缺点在于它是由多种材料组成的多层构造,各层之间的性能差异极大,层间界面的结合总是有一定的缺陷10。在工程应用中,小块材料之间的连接也是很难解决的技术问题11。因部分小块隔热泡沫脱落,导致美国“哥伦比亚号航天飞机的失事就是例证之一。1.2热防护材料的类型根据热防护机理的不同,热防护材料可分为三类:一是热容吸热式热防护材料。此种材料具备较高的热导率、高熔点和大比热等特点。当外界温度急剧变化时,该材料能迅速吸热或散热,如涂镍铜或铍等金属。二是辐射式热防护材料。该材料具有高辐射系数和高熔点,当热防护
7、材料外表的温度升高时,通过再辐射作用实现散热目的,如镍、铬、铌和钼等难熔金属板以及20世纪70年代以来所采用的轻质泡沫陶瓷瓦。三是质量引射式热防护材料。在高温下此种材料能热解、汽化,在边界层通过质量引射效应到达散热效果。最常见的是烧蚀热防护材料,如以纤维为加强填充材料的纤维加强酚醛材料和以酚醛树脂为粘合剂制备的热防护复合材料12。目前技术最成熟,应用最广泛的是纤维加强酚醛材料13,14,但这类材料受纤维选用、铺层工艺的影响较大,在大型部件制造加工和连接工艺、基本力学性能评价、抗氧化涂层(包括密封剂)等方面遭到较多因素的限制15。随着新材料、新技术的不断发展,有必要对此类多层复合的隔热方式进行改
8、良,开发出更先进、更可靠,又便于实际使用的新型隔热材料。1.3C/C复合材料的特点C/C复合材料具有高热导率、高熔点和大比热的特点,属于热容吸热式热防护材料16,17,可适应1600高温条件18,19。同时还具备重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等特点,因而,它是一种良好的热构造材料20。其另一大优点是基体与加强体都是碳元素,具有良好的界面结合,其研制理论和制造方法在很多新型复合材料的研制和开发中具有一定的借鉴意义21。目前每一种新型航空航天器的推出都以广泛采用先进复合材料(十分是C/C复合材料)为显著特点。2碳泡沫材料近几年来,一种新型材料碳泡沫(Carbon
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