謝昕 楊欣

20世紀50年代，我國的航天事業(yè)開始起步。我國于1970年4月24日發(fā)射了新中國成立以來的第一顆人造地球衛(wèi)星，成為繼蘇聯(lián)、美國、法國、日本之后世界上第5個獨立發(fā)射人造衛(wèi)星的國家，從此開啟了航天大國夢。隨著1999年“神州一號”的發(fā)射升空，到2003年“神州五號”載人航天飛船的成果發(fā)射和安全返航，再到2020年“嫦娥五號”奔月取土，安全返回地球，我國的航天科技取得了一個又一個輝煌成績。與此同時，返回艙、運載器的熱防護性能也成為了業(yè)界關(guān)注的焦點，而防熱隔熱材料是飛行器最重要的關(guān)鍵材料之一。

載人飛船的返回艙、嫦娥五號的運載器等，在進入大氣層時，由于飛行器飛行速度非常之快，在與大氣層之間的摩擦過程中會導致飛行器表面產(chǎn)生嚴重的氣動加熱，發(fā)生熱損傷；同時，熱防護結(jié)構(gòu)作為返回艙3%～50%的質(zhì)量來源，其熱效率對于航天器的整體性能也會產(chǎn)生極為重要的影響[1]。因而，航天器的熱防護材料，特別是載人航天器的防熱材料對于實現(xiàn)載人航天有著關(guān)鍵影響，安全、耐高溫、輕質(zhì)等性能是熱防護材料所追求的目標。本文以專利分析的方法，對中國航天器熱防護材料技術(shù)的起步、發(fā)展過程、申請人分布等方面進行分析。

1 申請情況整體分析

本文選擇中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）為檢索基礎，通過分類號、關(guān)鍵詞的組合檢索，獲得相關(guān)的航天器熱防護材料領域的專利申請870篇（檢索年至2021年2月5日已公開的專利申請），由于2021年申請數(shù)據(jù)不完整，因而2021年的申請數(shù)據(jù)不計入此次專利申請量的分析中。航天器熱防護材料的專利申請量的總體趨勢分步見表1。

通過表1可以發(fā)現(xiàn)，航天器熱防護材料技術(shù)的中國專利申請量普遍符合逐年遞增的趨勢，在2005年前專利申請量極少，屬于個位數(shù)的存在，于2011年開始國內(nèi)關(guān)于航天器熱防護材料技術(shù)的相關(guān)專利申請量迅速增長，到了2016年后出現(xiàn)井噴式增長，國內(nèi)企業(yè)高校的年申請總量達到了100件以上，特別是2019年國內(nèi)申請量達到了114件，表1中顯示2020年航天器熱防護材料技術(shù)的申請量為83件，與2019年的申請量相比，比例明顯偏低，造成上述數(shù)據(jù)的原因是截至是檢索日（2021年2月5日），存在部分申請未滿18個月還未公開。國內(nèi)關(guān)于航天器熱防護材料技術(shù)的相關(guān)專利申請量迅速增長與中國的經(jīng)濟、科技的騰飛和對航天事業(yè)的重視是密不可分，國內(nèi)航天器熱防護材料技術(shù)的相關(guān)專利申請量的便體現(xiàn)出了我國自建國以來從一窮二白到經(jīng)濟、科學、文化的全面騰飛的進程。對于國外的航天器熱防護材料技術(shù)在中國的申請量比例比較少的原因在于，航空航天技術(shù)屬于各國機密技術(shù)，因而在他國進行大量的申請和公開的情況比較少見。

2000年以后，隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，飛行器飛行的馬赫數(shù)的不斷提升，航天航空飛行器所需要承受溫度和熱沖擊也隨之越來越高。哈爾濱工業(yè)大學于2006年8月2日提交了專利公開號為CN1908066A[2]的專利申請，公開了一種以石英纖維和硅樹脂為主體的復合材料及其制備方法。通過對石英纖維表面進行380～420℃、氮氣環(huán)境中停留8～12min的預處理，而后將表面預處理的石英纖維浸膠獲得涂覆聚苯并雙噁唑的石英纖維，最終將涂覆聚苯并雙噁唑的石英纖維于硅樹脂混合模壓獲得硅樹脂與涂覆聚苯并雙噁唑的石英纖維復合材料。該方法很好地解決了由于石英纖維表面和硅樹脂中均含有較多的羥基，因此在高溫條件下，石英纖維與硅樹脂復合材料的界面處羥基間會發(fā)生縮合反應，脫水，導致石英纖維的增強效果下降的問題。2019年10月23日，中國運載火箭技術(shù)研究院與航天材料及工藝研究所共同申請了公開號為CN110804274A[3]的專利申請，公開了一種基于間隔結(jié)構(gòu)織物增強體的輕質(zhì)防隔熱復合材料及其制備方法，復合材料中包括增強體和基體。該防隔熱擦了具有類似于面—芯功能的梯度結(jié)構(gòu)，即面層為致密材料主要提供防熱燒蝕和承載能力，中芯為多孔材料主要起到降低密度和隔熱的作用，實現(xiàn)了隔防熱一體，導熱率低、抗彎曲強度高的特點?？梢?，隨著時間的推移，國內(nèi)航天器熱防護材料技術(shù)的研究和專利申請向著多元化材料配合結(jié)構(gòu)設計和材料改進等不斷的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強勁。

2 申請人分布和主要申請人

圖1為我國航天器熱防護材料技術(shù)的申請人的屬性分布，由圖1可知，企業(yè)和個人類申請人總體占比為8%，不足10%，院校類申請人占比52%，航天科研院所申請人占比40%，可見，就我國該領域的專利申請而言，高等院校類申請人和航天科研院所類申請人占據(jù)了主導地位，是申請的主體，由于行業(yè)的特殊性，對于科研經(jīng)費和科研人員的素質(zhì)提出了較高的要求，從而導致企業(yè)和個人很難對該領域進行探索，為航天器熱防護材料技術(shù)的進步貢獻力量；隨著科研企業(yè)的資金和科研實力的不斷壯大，中華民族為中華民族偉大復興的不斷努力，相信未來會有越來越多的商業(yè)企業(yè)進入該領域，為航天器熱防護材料技術(shù)的發(fā)展和研究做出巨大的貢獻。

圖1還列出了我國航天器熱防護材料技術(shù)主要的申請人，院校類申請人排名前3位的分別為哈爾濱工業(yè)大學（56件）、中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學（39件）以及西北工業(yè)大學（26件），分別在院校類申請人申請量占比12.3%、8.6%和5.7%；航天科研院所類申請人排名前3位的分別為中國運載火箭技術(shù)研究所（73件）、航天特種材料及工藝技術(shù)研究所（47件）和航天材料及工藝研究所（32件），分別在航體科研院所類申請人申請量占比21.4%、13.8%和9.4%。

哈爾濱工業(yè)大學在我國航天器熱防護材料技術(shù)的研究是起步比較早的，在蜂窩增強人防護材料、C/C復合材料的改性、高溫復合陶瓷改性等方面均有涉及和建樹。CN101927585[4]公開了一種用于熱防護系統(tǒng)的金屬蜂窩結(jié)構(gòu)與陶瓷結(jié)合的蓋板，蓋板包括蜂窩體、上層板、下層板和陶瓷板，蜂窩體、上層板和下層板的材料均為鎳（Ni）基高溫合金、鐵（Fe）基高溫合金、Ni-Fe基高溫合金、鈷（Co）基高溫合金或Nb基高溫合金，陶瓷板的材料為二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（Al2O3）纖維增強材料或Al2O3復合材料。通過一體化使的設計，整個結(jié)構(gòu)和熱防護系統(tǒng)總重量降低了10%～15%，且同時克服了陶瓷防熱瓦隔熱性能好但存在質(zhì)脆、易脫落變形等確定，金屬熱防系統(tǒng)可靠性高但熱膨脹系數(shù)大的問題。CN106946579A[5]公開一種耐1 500℃的輕質(zhì)剛性陶瓷纖維隔熱瓦的制備方法，采用一定比例的紅外遮光劑氧化鋯、粘結(jié)劑蔗糖和燒結(jié)劑氮化硼進行混合，得到的混合粉體與乙醇溶液進行混合，而后將陶瓷纖維溶液與粉料溶液混合得到纖維漿料溶液，將纖維漿料溶液倒入不銹鋼模具中通過真空干燥得到陶瓷隔熱瓦干坯，將硅源和碳源作為前驅(qū)體，乙醇和蒸餾水為共溶劑，采用酸/堿二步催化發(fā)制備硅—碳—氧（Si-C-O）凝膠，使Si-C-O凝膠包覆于陶瓷隔熱瓦干坯的陶瓷纖維表面，通過真空干燥處理獲得凝膠陶瓷瓦干坯，最后進行高溫燒結(jié)獲得輕質(zhì)剛性陶瓷纖維隔熱瓦。所獲得輕質(zhì)剛性陶瓷纖維隔熱瓦性能與美國航天飛機上使用的BRI陶瓷瓦相近。CN102795873A[6]的專利公開一種石墨烯/聚合物涂層界面改性碳/碳復合材料的方法，首先材料強酸、含鉀強氧化劑、雙氧水對石墨進行氧化，通過冷凍干燥獲得氧化石墨粉體，加入相關(guān)溶劑、超聲、離心提純最終獲得高純度的石墨烯，將石墨烯與聚合物涂層作用獲得石墨烯/聚合物涂層溶液，而后將石墨烯/聚合物涂層溶液涂覆于碳纖維表面，碳化處理，即獲得石墨烯/聚合物涂層界面改性碳/碳復合材料。通過火焰溫度大于2 000℃的氧乙炔焰燒蝕實驗，發(fā)現(xiàn)石墨烯/聚合物涂層界面改性碳/碳復合材料與未處理的碳/碳復合材料的抗燒蝕率提高了40%以上。

航天特種材料及工藝技術(shù)研究所的CN111285699 A[7]公開了一種輕質(zhì)可重復使用的防隔熱材料及其制備方法，并公開了制備流程（如圖2）。

其中，燒蝕復合材料由以質(zhì)量百分比計為19.9%～99.8%的燒蝕樹脂、0.1%～10%的凝膠固化劑和0.1%～80%的燒蝕填料組成；所述燒蝕樹脂選自由硼酚醛樹脂、鋇酚醛樹脂和高殘?zhí)糠尤渲M成的組；所述凝膠固化劑選自由六次甲基四胺、苯胺、三聚氰胺、對甲苯磺酸、對甲苯磺酰氯和石油磺酸組成的組；和/或所述燒蝕填料為有機硅樹脂，所述有機硅樹脂選自由甲基硅樹脂、乙基硅樹脂、甲基乙基硅樹脂、甲基苯基硅樹脂和低聚倍半硅氧烷組成的組。所述陶瓷基體復合在所述上纖維預制體層和所述下纖維預制體層中；所述陶瓷基體選自由氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、莫來石、碳化硅、碳化硼（B4C）、氮化硼（B4N）和氧二硼（B2O3）組成的組。通過實驗顯示，該輕質(zhì)可重復使用的防隔熱材料重復使用10次后，線燒蝕為0.32mm，拉伸強度仍可達到43.1Mpa。

通過對我國航天器熱防護材料技術(shù)的申請人及其技術(shù)的研究可知，我國的航天器熱防護材料技術(shù)發(fā)展極快，航天研究院所和老牌工業(yè)高校是航天器熱防護材料技術(shù)的主力軍，對于航天器熱防護材料種類的研究具有覆蓋面廣，其研究具有傳承性的特點。

3 我國航天器熱防護材料技術(shù)專利發(fā)展的建議

通過對我國航天器熱防護材料技術(shù)的專利分析可知，該領域的主要研發(fā)力量還是集中在科研院所和高校，所涉及的相關(guān)企業(yè)少之又少，航天器熱防護材料也主要存在于軍用，而并未民用化。但是我國的很多企業(yè)不僅具有一定的科研實力和雄厚資金支持，還具有對市場變化很強的洞察能力，如果企業(yè)能夠?qū)Ω咝？蒲性核M行資金扶持，并給出關(guān)于市場變化和未來發(fā)展的預期，勢必會大大提高現(xiàn)有的研發(fā)水準，推動整個行業(yè)的進步。

4 結(jié)語

我國航天器熱防護材料技術(shù)雖然較美國、蘇聯(lián)、日本等國家起步晚，不過目前我國航天器熱防護材料技術(shù)的發(fā)展較快，但是適應于我國航天技術(shù)發(fā)展和需求的航天器熱防護材料技術(shù)仍有較大進步空間。通過對我國航天器熱防護材料技術(shù)的專利技術(shù)的分析，明確了現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展和發(fā)展過程中存在的優(yōu)勢和劣勢，同時也為我國航天器熱防護材料技術(shù)的發(fā)指出了方向。制備獲得質(zhì)量更輕的、耐熱能力更強的、剛性更大的航天器熱防護材料是未來所需。在我國產(chǎn)業(yè)升級、技術(shù)轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標下，我國航天器熱防護材料技術(shù)的發(fā)展會愈加完善，中國的航天事業(yè)的發(fā)展會愈來愈好，進而實現(xiàn)中華民族的偉大復興。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.03.006

致謝：第二作者對本文的貢獻等同于第一作者。

參考文獻

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[4] 哈爾濱工業(yè)大學.用于熱防護系統(tǒng)的金屬蜂窩結(jié)構(gòu)與陶瓷結(jié)合的蓋板：200910312765.8[P].2010-12-29.

[5] 哈爾濱工業(yè)大學.耐1500℃輕質(zhì)剛性陶瓷纖維隔熱瓦的制備方法：201710207877.1[P].2017-07-14.

[6] 哈爾濱工業(yè)大學.一種石墨烯/聚合物涂層界面改性碳/碳復合材料的方法：201210268257.6[P].2012-11-28.

[7] 航天特種材料及工藝技術(shù)研究所.一種輕質(zhì)可重復使用的防隔熱材料及其制備方法：201811496800.1[P].2020-06-16.