發(fā)布時間：2021-10-07 04:04

　　當前,樹脂基燒蝕防熱仍被認為是最有效、最可靠、最成熟和最經(jīng)濟的一種熱防護方式,在航天飛行器熱防護系統(tǒng)中普遍采用。近些年在載人航天、探月工程、深空探測和新型航天飛行器系列工程的需求牽引下,本團隊開發(fā)了蜂窩增強低密度材料、新型防隔熱一體化材料、輕質(zhì)燒蝕維形材料等先進防熱復合材料,并開展了相應(yīng)的應(yīng)用基礎(chǔ)以及工程應(yīng)用研究工作,對燒蝕材料復雜防熱機理及多重防熱機制的協(xié)同作用進行了探索研究。隨著再入/進入航天飛行器先進熱防護系統(tǒng)需求的發(fā)展,功能多樣化、兼容與集成是低密度樹脂基燒蝕防熱材料的主要發(fā)展趨勢。 

【文章來源】：材料工程. 2020,48(08)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

神舟飛船及其低密度燒蝕材料

在探月工程月地高速再入返回器防熱材料研制中,針對月球返回軌道高熱流峰值、高焓值、高氣動剪切、長時加熱、跳躍式彈道的二次燒蝕等復雜熱環(huán)境,對軌道返回器的熱流區(qū)域進行精準設(shè)計與精細劃分,開發(fā)出蜂窩增強FG4,FG5,FG7和HC5材料,分別用在不同熱流環(huán)境區(qū)域,如圖2所示[28]。在H88和H96的基礎(chǔ)上,對材料的微細觀結(jié)構(gòu)和化學組成進行優(yōu)化,開發(fā)了密度分別為0.4 g/cm3和0.5 g/cm3左右的FG4和FG5材料,室溫熱導率≤0.1 W/(m·K),用于返回器側(cè)壁背風面的中低熱流區(qū)。在返回器防熱大底的高熱流區(qū)域,研制了密度分別為0.5 g/cm3和0.7 g/cm3的HC5和FG7材料,室溫熱導率保持在0.10 ～ 0.12 W/(m·K)之間,以增加防熱材料的高駐點燒蝕性能和抗剪切性能。在6 MW/m2高熱流條件下,FG7和HC5材料,表面溫度達到了2400 ℃左右,經(jīng)過33 s燒蝕后50 mm最高背面溫升僅有85 ℃。在返回軌道典型熱環(huán)境下,材料表現(xiàn)出優(yōu)異的防隔熱性能。為進一步掌握燒蝕過程中材料成分的基本演化規(guī)律及該類材料的燒蝕防熱機理,對蜂窩增強LAC材料的燒蝕過程進行了研究,揭示出Si—C—O材料體系的基本燒蝕規(guī)律,如圖3所示。在燒蝕炭化層中含有大量的SiO2和無定型炭,SiO2主要來源于Si—C—O材料體系燒蝕中Si元素同空氣中的O原子作用氧化生成SiO2,以及短切石英纖維和玻璃小球填料在高溫條件下發(fā)生熔融,形成液態(tài)SiO2熔融區(qū)�；w高分子鏈中的苯基、甲基等有機基團和酚醛微球在高溫下裂解炭化,形成玻璃態(tài)炭。燒蝕炭化層在氧化、熔融、有機分子鏈裂解和高溫碳熱還原反應(yīng)的多重作用下,形成一定厚度疏松多孔結(jié)構(gòu)的炭化層,具體微細觀結(jié)構(gòu)因?qū)嶋H熱環(huán)境不同而有所差異。燒蝕過程中,有機聚合物鏈段裂解生成H2、H2O、苯酚、CO等小分子氣體,穿過炭化層,形成疏松多孔結(jié)構(gòu)。材料燒蝕表面熱效應(yīng)復雜,包括樹脂的裂解吸熱、質(zhì)量耗散帶走熱量、表面炭層的輻射散熱、熱傳導等多重熱效應(yīng)。在更高溫度下(>1500 ℃),炭化層中SiO2和C能夠進一步發(fā)生碳熱還原反應(yīng),生成少量SiC晶�；蚓ы�。材料裂解區(qū)(350～800 ℃)主要發(fā)生樹脂基體和酚醛微球的斷鏈反應(yīng),生成H2O、自由基、苯酚、稠環(huán)等一系列的小分子物質(zhì),此區(qū)間的熱效應(yīng)包括化學裂解吸熱、熱傳導、裂解氣釋放過程中的熱阻塞效應(yīng)等。在材料原始層,材料本體不發(fā)生化學變化,主要是進入材料內(nèi)部的固相傳熱過程和材料熱容吸熱。

為進一步掌握燒蝕過程中材料成分的基本演化規(guī)律及該類材料的燒蝕防熱機理,對蜂窩增強LAC材料的燒蝕過程進行了研究,揭示出Si—C—O材料體系的基本燒蝕規(guī)律,如圖3所示。在燒蝕炭化層中含有大量的SiO2和無定型炭,SiO2主要來源于Si—C—O材料體系燒蝕中Si元素同空氣中的O原子作用氧化生成SiO2,以及短切石英纖維和玻璃小球填料在高溫條件下發(fā)生熔融,形成液態(tài)SiO2熔融區(qū)�；w高分子鏈中的苯基、甲基等有機基團和酚醛微球在高溫下裂解炭化,形成玻璃態(tài)炭。燒蝕炭化層在氧化、熔融、有機分子鏈裂解和高溫碳熱還原反應(yīng)的多重作用下,形成一定厚度疏松多孔結(jié)構(gòu)的炭化層,具體微細觀結(jié)構(gòu)因?qū)嶋H熱環(huán)境不同而有所差異。燒蝕過程中,有機聚合物鏈段裂解生成H2、H2O、苯酚、CO等小分子氣體,穿過炭化層,形成疏松多孔結(jié)構(gòu)。材料燒蝕表面熱效應(yīng)復雜,包括樹脂的裂解吸熱、質(zhì)量耗散帶走熱量、表面炭層的輻射散熱、熱傳導等多重熱效應(yīng)。在更高溫度下(>1500 ℃),炭化層中SiO2和C能夠進一步發(fā)生碳熱還原反應(yīng),生成少量SiC晶�；蚓ы�。材料裂解區(qū)(350～800 ℃)主要發(fā)生樹脂基體和酚醛微球的斷鏈反應(yīng),生成H2O、自由基、苯酚、稠環(huán)等一系列的小分子物質(zhì),此區(qū)間的熱效應(yīng)包括化學裂解吸熱、熱傳導、裂解氣釋放過程中的熱阻塞效應(yīng)等。在材料原始層,材料本體不發(fā)生化學變化,主要是進入材料內(nèi)部的固相傳熱過程和材料熱容吸熱。1.2 SPQ系列材料

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3421327