梁 馨 方 洲 林治峰 喬 鵬 代曉偉

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 采用石英燈燒蝕試驗對研制的一種輕質(zhì)燒蝕防熱材料在不同防熱結(jié)構(gòu)下的燒蝕形貌和隔熱性能進行了研究。結(jié)果表明：不同的防熱結(jié)構(gòu)形式，輕質(zhì)燒蝕防熱材料的燒蝕形貌不同，防熱結(jié)構(gòu)的縱向溫度梯度和面內(nèi)溫度梯度均影響輕質(zhì)防熱材料的燒蝕形貌，溫度梯度越小，熱量在材料表面積聚越嚴重，因此表面碳化特征越明顯。在不同材料的面內(nèi)組合狀態(tài)下，輕質(zhì)燒蝕防熱材料可實現(xiàn)與較高密度材料的匹配燒蝕，說明其燒蝕防熱效率較高。在防熱結(jié)構(gòu)設計時，可綜合考慮其面密度和燒蝕形貌，合理利用防熱結(jié)構(gòu)組成，實現(xiàn)高效防隔熱和輕量化設計。

0 引言

飛行器在高速飛行過程中，由于與大氣的相互作用，將產(chǎn)生溫度很高的氣動加熱，若無熱防護，則飛行器將會被高溫燒毀，因此防熱材料技術(shù)是保證飛行器內(nèi)部溫度在一定范圍內(nèi)的重要技術(shù)之一，從而保證其內(nèi)部儀器設備等正常工作，實現(xiàn)其預定功能。由于飛行器的質(zhì)量有一定限制，所以防熱材料及結(jié)構(gòu)若能實現(xiàn)減重，則可提高飛行器的有效載荷，因此輕質(zhì)燒蝕防熱材料是防熱材料發(fā)展的一個重要方向。燒蝕防熱材料的外部燒蝕溫度隨著氣動加熱不同而不同，而內(nèi)部溫度隨用途不同而不同，如載人飛船，內(nèi)部溫度不可超過人體承受范圍，如其他飛行器，則溫度不能超過設備運行的上限或防熱結(jié)構(gòu)界面的使用上限溫度。因此防熱材料在厚度上存在一定的溫度梯度，該溫度梯度對輕質(zhì)燒蝕防熱材料的燒蝕碳層形貌的影響研究可為防熱設計提供依據(jù)。

蜂窩增強防熱材料是防熱材料的一個重要分支，目前蜂窩增強輕質(zhì)防熱材料是國內(nèi)外應用最為廣泛的一種輕質(zhì)防熱材料，具有相當高的可靠性和質(zhì)量一致性。國外大部分空間探測器均采用這種類型的輕質(zhì)防熱材料，包括近地軌道探測器和月地軌道探測器［1?5］，國內(nèi)的神舟飛船返回艙［6］、嫦娥五號返回器［7］等也均采用了這類輕質(zhì)防熱材料。該類防熱材料可調(diào)控手段及技術(shù)途徑較為廣泛，可實現(xiàn)較優(yōu)的燒蝕防隔熱性能，具有廣闊的應用前景。本文主要針對蜂窩增強輕質(zhì)防熱材料的結(jié)構(gòu)組成對燒蝕形貌的影響進行相應研究。

1 實驗

1.1 原材料

輕質(zhì)燒蝕防熱材料A（蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料）、密度約為0.5 g/cm3，自行研制；燒蝕防熱材料B（玻璃鋼燒蝕結(jié)構(gòu)材料），密度約為1.0 g/cm3，自行研制；夾層材料C（玻璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，厚度15 mm），自行研制；面板D（玻璃鋼面板，厚度2 mm），自行研制。

1.2 測試方法

1.2.1 不同防熱材料厚度對燒蝕形貌的影響

采用不同厚度材料A和C進行粘接組合，其中材料A的厚度分別為20、15、13 mm，采用石英燈試驗進行燒蝕考核（600 kW/m2，時間210 s），同時測量材料A 與C 的界面溫升和背面溫升（圖1），對比材料A 表面燒蝕形貌的不同。

圖1 材料A與材料C組合示意圖Fig.1 Schematic diagram of combination of material A and C

1.2.2 不同防熱結(jié)構(gòu)對燒蝕形貌的影響

采用13 mm的材料A與D進行粘接組合，采用同樣的石英燈試驗進行燒蝕考核，測量材料A與D的界面溫升和背面溫升（圖2），對比材料A表面燒蝕形貌的不同。

圖2 材料A與材料D組合示意圖Fig.2 Schematic diagram of combination of material A and D

1.2.3 不同燒蝕材料面內(nèi)組合對燒蝕形貌的影響

材料A 與B 進行面內(nèi)組合，再與材料C 進行粘接組合（圖3），采用相同的石英燈燒蝕考核條件進行試驗，對比材料A的表面燒蝕形貌與單獨材料A與C組合的燒蝕形貌的不同。

圖3 材料A與材料B組合示意圖Fig.3 Schematic diagram of combination of material A and B

1.2.4 材料性能測試

采用GB/T1463—2005 對材料A、B 進行密度測試；采用GB/T10294—2008 和GB/T10295—2008 分別對材料A、B 進行熱導率測試；采用GJB330A—2000測量材料A、B的比熱容。

2 分析與討論

2.1 輕質(zhì)防熱材料厚度對燒蝕形貌的影響

在石英燈燒蝕試驗考核狀態(tài)下，圖1所示的防熱結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同材料厚度組合方式及溫度測量結(jié)果Tab.1 The combination of different material thickness and results of temperature

在相同的材料組合、不同燒蝕材料厚度的情況下，界面溫升及背面溫升隨時間的變化趨勢相同，如圖4所示。材料厚度越薄，界面溫升越大，背面溫升越大，這與材料燒蝕反應機理相吻合。在外界熱量作用的情況下，材料發(fā)生物理化學反應，一部分熱量被物理化學反應所消耗，另一部分熱量則由材料表面不斷向材料內(nèi)部傳遞，材料內(nèi)部溫度逐漸升高，距離加熱面越近，溫度越高，即材料A厚度越薄，溫升越大。

從圖4可見在材料厚度方向上，材料厚度對溫升的影響非常顯著，材料越薄，溫升越大，材料厚度相差2 mm（15 和13 mm）時，停車時界面溫升相差178.5 ℃，這與材料密度較低，隔熱性能較好有關(guān)。

圖4 不同材料厚度組合溫升曲線Fig.4 The elevated temperature curves of combination of different material thickness

圖5為不同材料厚度組合的防熱材料燒蝕形貌，隨著燒蝕材料厚度減少，界面溫升越高，材料表面燒蝕膨脹越少，以硅基材料裂解為主的產(chǎn)物特征越來越不明顯，當材料A 厚度為13 mm 時，出現(xiàn)了明顯的碳化現(xiàn)象，可見界面溫升越高，即防熱材料厚度方向上的溫度梯度越小，熱量向材料內(nèi)部傳遞的動力越小，從而在表面積聚的趨勢越明顯，導致材料表面碳化程度越嚴重。

圖5 不同材料厚度組合的防熱材料燒蝕形貌Fig.5 The ablation morphologies of the ablation materials of different thickness

2.2 不同防熱結(jié)構(gòu)對燒蝕形貌的影響

相同的燒蝕材料厚度，不同防熱結(jié)構(gòu)的溫升變化如表2所示。當背面材料隔熱性能越好（如材料C）時，界面溫升越高，背面溫升越小，反之，背面材料隔熱性能越差（如材料D），界面溫升越小，背面溫升越高，如圖6所示。熱量從燒蝕材料表面?zhèn)飨虿牧螦內(nèi)部，再通過界面?zhèn)髦帘趁娌牧螩或者D，C的隔熱性能好，則熱量繼續(xù)傳向背面的速度大大減慢，因此熱量積聚在界面處，導致背面溫升較低；而D的傳熱性能好，則熱量快速傳至背面，所以界面溫升小，背面溫升大。

表2 不同防熱結(jié)構(gòu)組合及溫度測量結(jié)果Tab.2 The combination of different thermal protection structure and results of temperature

圖6 不同防熱結(jié)構(gòu)組合溫升曲線Fig.6 The elevated temperature curves of combination of different combination of thermal protection structure

圖7為不同防熱結(jié)構(gòu)組合的防熱材料燒蝕形貌，可見雖然3#的界面溫升高于4#，但隨著背面溫升的升高，4#材料A 呈現(xiàn)出典型的表面碳化特征，材料表面幾乎全部碳化（邊緣效應除外），結(jié)合表2數(shù)據(jù)，可知隨著背面溫升升高，輕質(zhì)燒蝕材料的碳化現(xiàn)象越明顯，由此說明在界面處連接方式可承受界面溫度的情況下，防熱材料與背面材料可視為一個整體，縱向傳熱是在該整體結(jié)構(gòu)上進行的，而非單一的防熱材料自身，防熱材料與背面材料組合而成的防熱結(jié)構(gòu)是影響燒蝕材料表面形貌的一個因素。除此以外，其組合方式還影響了防熱結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，從表2可知，3#面密度最小，同時其表面燒蝕形貌以碳化為主，碳層更加致密堅硬，在某些特定熱環(huán)境下，具有良好的隔熱、耐燒蝕和輕量化特征，可作為防熱結(jié)構(gòu)設計的一個較好選擇。

圖7 不同防熱結(jié)構(gòu)組合的防熱材料燒蝕形貌Fig.7 The ablation morphology of the different combination of thermal protection structure

2.3 不同材料面內(nèi)組合對燒蝕形貌的影響

材料A 和B 的熱物理性能如表3所示，A 和B 是熱導率相差較大的兩種材料，將材料A和B進行面內(nèi)組合，同時與C 材料組成防熱結(jié)構(gòu)，采用同樣的石英燈燒蝕條件進行考核試驗，其燒蝕形貌如圖8所示。

表3 材料熱物理性能Tab.3 The thermophysical properties of material A and B

可見，材料A 的燒蝕形貌發(fā)生了明顯的碳化（與3#不同），由此說明在面內(nèi)方向，兩種不同材料之間存在一定的熱量傳遞和重新分布。材料B 成分熱解組分相對較少，在燒蝕中的物理化學反應也相對較少，因此在相同的氣動加熱條件下，其表面溫度相對較高［8］，而材料A則由于復雜的化學反應使得表面溫度相對較低，因此A、B 材料在面內(nèi)形成了溫度梯度。在此溫度梯度作用下，熱量從B 傳遞至A，使得A 的碳化趨勢更加明顯。在圖8中可見，雖然材料A 和B的密度差異較大，但二者在本試驗條件下，燒蝕后退一致，未出現(xiàn)宏觀的燒蝕臺階或燒蝕形貌不匹配，說明輕質(zhì)防熱材料A 具有良好的燒蝕性能和隔熱性能，其防熱效率較高，在實際應用中有廣泛的前景。

圖8 5#防熱結(jié)構(gòu)燒蝕前后形貌Fig.8 The morphologies of 5#combination of thermal protection structure before and after ablation

3 結(jié)論

（1）防熱結(jié)構(gòu)的縱向溫度梯度和面內(nèi)溫度梯度均影響輕質(zhì)防熱材料的燒蝕形貌，溫度梯度越小，表面碳化特征越明顯。

（2）輕質(zhì)燒蝕防熱材料可實現(xiàn)與較高密度材料的匹配燒蝕，其燒蝕防熱效率較高。

（3）合理考慮防熱結(jié)構(gòu)組成，可實現(xiàn)有效的高效防隔熱和輕量化設計。