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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技術(shù)的開(kāi)展概略，重點(diǎn)引見(jiàn)碳/碳復合資料、多孔纖維陶瓷資料、陶瓷基復合資料、熱涂層技術(shù)、隔熱資料、輕質(zhì)燒蝕資料等，并對熱防護技術(shù)的開(kāi)展趨向作扼要評述。
關(guān)鍵詞:熱防護技術(shù)； 碳泡沫資料； 多孔纖維陶瓷； 陶瓷基復合資料；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穿越稠密大氣層飛行，飛行器外表會(huì )產(chǎn)生嚴重的氣動(dòng)加熱，容易產(chǎn)生熱損傷。因而熱防護技術(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、陶瓷基復合資料、無(wú)機纖維隔熱資料等的開(kāi)展現狀與應用。
1熱防護資料開(kāi)展概略
燒蝕類(lèi)熱防護資料發(fā)張歷史較長(cháng)，應用較普遍，如以纖維為加強填充資料的纖維加強酚醛資料和以酚醛樹(shù)脂為粘合劑的熱防護復合資料。目前應用最普遍的是纖維加強酚醛資料［1］。傳統的燒蝕熱防護是以犧牲熱防護資料質(zhì)量來(lái)?yè)Q取防熱的效果，無(wú)法應對當今航天器外形不變的請求，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應用的新型熱防護資料。關(guān)于該種資料來(lái)說(shuō)，提高極限運用溫度和高溫性能、提高標明抗輻射、抗氧化才能、防隔熱一體化和能量引導耗散機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、陶瓷基復合資料、無(wú)機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�；w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、耐燒蝕和抗高溫燃氣沖刷的性能優(yōu)點(diǎn)。但是，硅橡膠有密度較高、機械強度低和界面粘性差等缺陷，因而應用遭到一定限制。為此，研討人員對硅橡膠進(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，高殘碳率等特性，是一類(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(zhù)提高燒蝕資料的機械性能、降低絕熱層的導熱系數、提高隔熱效率、加強碳化層耐高溫燃氣沖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體,經(jīng)過(guò)石墨化和高溫炭化處置,將無(wú)定形碳轉化為多孔石墨韌帶微構造,構成網(wǎng)狀泡沫韌帶,其性能與構造優(yōu)于現有的碳/碳復合資料［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造的性能特征。并且這種碳泡沫資料的熱導率大約是銅的6倍，是一種良好的導熱泡沫資料。
3.2微球型碳泡沫。 空心碳微球泡沫是以高殘碳樹(shù)脂或中間相瀝青為先驅體，先制成幾何尺寸為微米的納米級的空心微球，再用恰當的樹(shù)脂作粘合劑將其注模成型，在氮氣和氬氣的氛圍中經(jīng)1100―2400℃的碳化和石墨化，得到空心微球構造的碳泡沫，當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)穩定、比外表積大、耐熱才能強、密度較低、剛度高、熱導率低等優(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(zhù)普遍的應用。在航空航天范疇也不例外,如熱防護系統中應用多孔陶瓷熱障資料,在飛行器外殼隔熱、發(fā)汗冷卻構件、燃氣輪機高溫合金部件外表熱防護等方面,可起到低金屬外表溫度、提高燃氣工作溫度、改善燃氣效率、延長(cháng)熱端部件運用壽命的重要作用。
多孔纖維陶瓷具有各向異性的導熱性能，有很多應用。作為熱防護資料的陶瓷熱障，因其導熱的各向異性，在厚度方向上熱導率較小，在垂直于厚度方向上的熱導率較大，可以起到隔熱和均布外表溫度的效果,依據文獻［4］中的計算和實(shí)驗標明，多孔纖維陶瓷資料在一個(gè)方向的熱導率是另一個(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。
5 陶瓷基復合資料
陶瓷基復合資料是在陶瓷集體中引入第二相資料所構成的的多相復合資料。在陶瓷中參加纖維能大幅度提高資料的強度、改善陶瓷資料脆的缺陷，并提高運用溫度。因而陶瓷基復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纖維增韌、想變增韌、微裂紋增韌以及晶須晶片增韌等。其中連續纖維增韌碳化硅基復合資料是目前最受關(guān)注的陶瓷基復合資料。
連續纖維加強陶瓷基復合資料具有高比強、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造資料。主要應用于發(fā)起機熄滅室、喉襯、噴管等熱構造件以及飛行器機翼前緣、控制面、機身頂風(fēng)面、鼻錐等防熱構件。
6 無(wú)機纖維隔熱資料
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)到達了相當成熟的階段。 在適用化方面，納米隔熱資料曾經(jīng)勝利應用于火星探測器的個(gè)別溫度敏感部件及星云捕獲器上。此外德國、瑞典、以色列、日本等國也展開(kāi)了新型納米隔熱資料的研討工作。目前曾經(jīng)報道的常溫常壓下納米隔熱資料最低的熱導率為0.013 W/ （mk），比靜止空氣的低一半。有材料報道的納米隔熱資料的運用溫度普通都小于500 ℃，機械強度比擬差。進(jìn)一步提高納米隔熱資料的運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80年代首先提出的,他們最初打算將該資料應用于航天飛機的熱防護系統和發(fā)起機的熱端部件。功用梯度資料一種其構成資料的要素組成和構造沿厚度方向由一側向另一側呈連續變化,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、隔熱性和強韌性等特性時(shí)顯現了非常宏大的應用潛力。在導熱系數到達設計請求的前提下，它能克制多層熱防護資料之間的層間缺陷和小塊資料之間銜接艱難的缺乏。這應該是會(huì )成為將來(lái)航空航天熱防護系統新一代的隔熱資料。
7 熱障涂層技術(shù)
當今航空發(fā)起機的主要開(kāi)展方向之一是提高發(fā)起機渦輪行進(jìn)口溫度，以此來(lái)提高發(fā)起機的熱效率。但隨著(zhù)渦輪行進(jìn)口溫度的提高，發(fā)起機熱端部件所禁受的燃氣溫度和燃氣壓力不時(shí)提高。從上世紀40年代到上世紀末，航空發(fā)起機的工作溫度快速上升，燃氣溫度已超越 1650 ℃。估計很快將到達1930℃。這樣高的溫度曾經(jīng)大大超越現有合金的極限工作溫度，因而，必需采用相應的措施。
一方面，能夠向上面提到的一樣繼續研制新型高溫資料，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)，如葉片冷卻氣膜設計及制造工藝的改良。在過(guò)去的50多年中，隔熱資料對提高發(fā)起機工作溫度曾經(jīng)做出了很大奉獻。但是在當前運用的發(fā)起機的工作溫度下，燃氣溫度已超越鎳基合金的熔點(diǎn)，基體資料自身以及發(fā)起機構造設計的改良使高溫合金以至單晶高溫合金簡(jiǎn)直已到達其耐熱極限，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)起機的開(kāi)展，發(fā)起機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)起機對資料更苛刻的性能請求，熱障涂層技術(shù)得到了普遍的應用和開(kāi)展。
熱障涂層是有導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，能夠明顯降低基體溫度，具有硬度高、高化學(xué)穩定性等優(yōu)點(diǎn)，可以避免高溫腐蝕、延長(cháng)熱端部件的運用壽命，提高發(fā)起機功率和減少燃油耗費。
熱障涂層的制備技術(shù)主要有：常規等離子噴涂、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)踐工程應用的雙層構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層及在陶瓷涂層與過(guò)渡層之間構成的熱生長(cháng)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械載荷；陶瓷涂層是隔熱資料；粘結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)性能和運用壽命。
8完畢語(yǔ)
在航空航天范疇，熱防護是重要研討課題之一，隨著(zhù)新一代航天器的研發(fā)，對熱防護提出了越來(lái)越高的請求。在研討傳統防熱資料的同時(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)完善已面對新的請求。
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