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建材总院隔热材料助力中国航天展翅高飞

 

图为柔性陶瓷隔热材料。

  随着航天飞行器向着高速、大推力和长工作时间的方向发展,对热防护材料和技术提出了更高要求,热防护技术已经成为各军事大国争先抢占的科技制高点。热防护系统是每个航天器服役于高温热环境下所需的子系统,是保证航天器在高温环境下不至于发生过热和烧毁的一项关键技术。热防护的目的是吸收或耗散热量,实现热防护的关键在于隔热材料的选择和防热结构的设计。要对发动机系统进行有效热防护,阻断热量向外传递,使发动机的外壁面始终处于安全的工作温度环境,保证飞行器的安全性和可靠性。

  国外对热防护材料与结构的研究工作起步较早。上世纪60年代,形成了第一代热防护结构,以树脂基复合材料为基础,将树脂基复合材料贴于金属内蒙皮上,用于热防护。但是,这类材料的极限使用温度较低,约为300℃,在使用过程中还是存在较多问题。到上世纪90年代,形成了第二代热防护结构,几乎全部使用钛合金作为外蒙皮,内部使用柔性热防护材料。这种热防护结构设计简单,成本较低,其隔热效果主要取决于柔性热防护材料,综合隔热性能不佳。本世纪初,形成了第三代热防护结构,主干材料选用陶瓷基复合材料和金属蜂窝,隔热效果相对较好。热防护结构轻,隔热性能好,但是该类材料柔性较差,容易破损,抗热震性能及复杂形状加工性能差。最近几年,研究者们又研究出一类新型热防护结构,被称为第四代热防护结构,所用材料包括高性能泡沫陶瓷、陶瓷纤维热防护材料、增韧陶瓷材料等,这类材料质更轻、耐久性时间更长、隔热性能更好。

 

图为柔性隔热材料包覆装置。

  热防护技术作为我国航天飞行器发展的关键技术之一,也是航天飞行器研制的重点和难点。成立专门的研发团队,专门从事热防护材料与结构的研究工作显得尤为重要。中国建筑材料科学研究总院有限公司所属陶瓷科学研究院(以下简称研究院)在热防护材料方面的研制工作早已启动,并且在空天飞行器隔热材料选用和结构设计上开展了大量研究工作,积累了丰富的经验和坚实的技术基础。面对国防科工局下达给研究院的发动机用热防护材料的研究工作,研究院积极开展了耐高温隔热材料的研究攻关。面对国外的技术封锁,研究院在最初阶段只能依靠自己的经验在宽泛的材料体系内研发耐高温隔热材料,也曾由于考虑不够充分,导致热防护失效。但研究院面对失败从不气馁,一次又一次对实验进行补充完善,最终克服重重困难,攻克层层难关,最终研制出满足发动机隔热需求的耐高温隔热材料,并形成了完善的理论体系和实际实验经验。目前,研究院在理论上认识隔热材料的传热特性和机理,在实验上研究探索隔热材料的耐温性能,在最终产品实验件上评估隔热材料的可靠性,成功研制出多种耐高温隔热材料,并在多个产品上实现了应用,自主创新填补国内技术空白,达到国际同类产品的先进水平。

  陶瓷纤维隔热材料在低温环境下隔热性能良好,但是随着温度的上升,隔热材料的导热系数增大,隔热性能严重下降。目前,隔热材料面临的主要困难之一是缺乏高温服役环境下的热性能数据,热防护系统的安全性无法得到相应保证。研究院的研制小组成员在理论上认真研究了隔热材料高温下的传热特性和传热机理,对于加深高温传热特性的认识,采取相应措施提高高温下隔热材料的性能,具有重要意义。采用遗传算法,以氧化锆纤维刚性隔热瓦为例,计算了材料在不同温度下3种传热方式各自所占的比例。开展隔热材料高温热物性研究,确定材料的失效机理,对于开展材料的可靠性评估、提高热防护系统的安全性具有重要意义。

  燃烧室和喷管是发动机的核心部件,在发动机工作时,燃烧室和喷管产生大量热量,为防止发动机被高温烧坏或因过热而降低发动机外部结构强度,从而危及整个结构完整性,同时为保护其周边的电子设备,必须对发动机及其外部结构进行可靠的热防护。发动机的热防护结构面临工作时间长、工作空间狭小和大温度梯度的周围环境,研究院提出使用具有高效隔热的低密度、柔性功能梯度复合隔热材料。该结构复合隔热材料为若干层不同成分的材料,即高温层隔热材料、中温层隔热材料和低温层隔热材料。高温层接触高温的耐烧蚀层,主要考虑耐高温性能,对导热率的要求不高,只需要将温度降到能够使相邻中温层可以正常工作的温度条件;中温层具有较低的导热系数,使温度进一步降低;低温层具有更低的导热系数,能够将温度降至设计要求温度。不同的材料具有不同的耐热性能和导热系数,整体上满足既耐高温又具有低导热系数的要求。通过实验,确定了最佳的梯度隔热材料结构,对确定的梯度隔热材料进行发动机实验,检验真实条件下的隔热性能。结果表明,发动机隔热实验后,隔热实验件结构整体保持完整,梯度隔热材料能够使发动机实验件的外表面最高温度小于设计温度,满足发动机的使用要求。分解隔热层进一步检查,梯度隔热层材料未出现分解、熔融现象,验证了梯度组合方案的正确性,证明设计的梯度隔热材料能够满足工程应用要求。

  新型飞行器在大气层内长时间快速飞行,当前国内外的研究主要集中在隔热材料的高温低导热、高强度及多层组合等方面。这些材料在发动机非工作状态下非常稳定,但是在发动机开始工作后,每种材料的热膨胀系数存在差异,在金属壳体和隔热材料之间往往会形成较大的间隙,这些间隙成为热量的直接传播通道,影响发动机的隔热性能,给发动机的结构可靠性造成隐患。针对以上问题,研究院研制出了一种能自适应填充隔热材料,可填充这些间隙,而且该材料在填充后仍具有较好的隔热性能。通过将可膨胀石墨与氧化铝纤维进行有效复合,氧化铝纤维具有的导热系数低、热容量大和成本低廉等优点,在中高温环境中的隔热效果已得到广泛认同;可膨胀石墨的层间化合物在受热达到一定温度时开始分解,产生大量气体,这些气体在密闭空间里产生很大的推力,碳层受到推力而向外膨胀,体积变大,从而起到膨胀的效果,填补结构件之间的缝隙。

  通过研究,研究院已经形成了热防护设计技术、低导热系数柔性隔热材料制备技术、纳米孔隔热材料制备技术、梯度隔热材料复合制备技术、超高温隔热材料制备技术、红外辐射屏蔽技术及吸热隔热材料制备技术等技术基础,为我国航天事业的热防护设计提供了广泛的材料选择余地。拓展现有热防护系统及相关热防护材料的耐极端环境能力、探索新的热防护材料体系是研究院未来的研究方向,研究院也会一如既往地发挥在该领域的技术优势,以期在发动机热防护用隔热材料方面谱写新的篇章,为中国航天事业作出更大的贡献。

作者:艾兵 张世超 陈玉峰  责编:丁涛 校对:黑寒 监审:王怡洁

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