航天飞行器热防护系统低密度烧蚀防热材料研究进展

当前,树脂基烧蚀防热仍被认为是最有效、最可靠、最成熟和最经济的一种热防护方式,在航天飞行器热防护系统中普遍采用。近些年在载人航天、探月工程、深空探测和新型航天飞行器系列工程的需求牵引下,本团队开发了蜂窝增强低密度材料、新型防隔热一体化材料、轻质烧蚀维形材料等先进防热复合材料,并开展了相应的应用基础以及工程应用研究工作,对烧蚀材料复杂防热机理及多重防热机制的协同作用进行了探索研究。随着再入/进入航天飞行器先进热防护系统需求的发展,功能多样化、兼容与集成是低密度树脂基烧蚀防热材料的主要发展趋势。     

热防护材料的研究进展

对近年来热防护材料进行了分类,同时对热防护材料的防热机理进行了分析研究,重点对改性的酚醛树脂和成碳率高的树脂进行了详细的探讨,明确提出成碳率高的树脂是下一代热防护材料的发展趋势.     

航天飞行器外防热复合材料发展概况

航天飞行器再入环境由于飞行任务的不断艰巨而愈加恶劣,故对外防热材料的要求也越来越高。本文通过简要分析气动加热环境所造成的外防热材料结构特性给出气动加热环境对于外防热材料的性能要求。接着以耐烧蚀树脂基防热复合材料为主对外防热材料的发展概况给出相关介绍,并提出利用混编纤维增强复合材料各方面的应用优势。     

多相纤维增强酚醛树脂低密度烧蚀防热复合材料高温压缩性能及损伤机制

低密度烧蚀防热材料是航天飞行器热防护系统的关键候选材料,其高温力学性能是热防护结构在气动热载荷下结构完整性的关键。本文针对多相纤维增强酚醛树脂低密度烧蚀防热复合材料开展高温压缩性能实验,获得了其压缩强度随温度的变化规律,结合热重、SEM分析了力载荷、热解及氧化反应对压缩强度的影响,揭示了软相碳层弥合和纤维脱黏、拔出两种韧化机制,为多相纤维增强酚醛树脂低密度烧蚀防热复合材料在热防护系统的工程应用提供实验数据支撑。      

树脂基复合材料表面功能防护涂层的研究现状

树脂基复合材料因具有综合成本低、减重性能好、比强度高、比刚度高、耐腐蚀和性能可设计等优点,在航空航天领域已广泛用于替代现有的部分金属部件;然而树脂基复合材料较差的抗氧化与耐磨损性能以及较低的使用温度限制了其更广泛的应用。综述了树脂基复合材料表面功能防护涂层的国内外研究进展,探讨了不同涂层制备方法、防护性能及其失效机理,为未来涂层的研究提供基础,以解决涂层制备工艺及其服役寿命问题。     

树脂基热防护材料研究进展

阐述了酚醛树脂和有机硅树脂作为热防护材料的研究现状.综述了酚醛树脂基体的结构改性和添加改性,具体介绍了金属元素、硅粉、陶瓷改性酚醛树脂的研究进展;同时也对有机硅树脂作为热防护材料的研究做了简要分析.并展望了这种可演化陶瓷类新型树脂基热防护材料的发展前景.     

美国空间探测器热防护材料发展现状及趋势

综述了美国空间探测器热防护材料的发展及现状,介绍了几类具有代表性的防热材料:高密度酚醛玻璃钢、DC-325、Avcoat、SLA-561、PICA(Phenolic impregnated carbon ablator)和碳酚醛等,及其所应用的探测器、气动加热环境和防热结构成型工艺,着重阐述了美国在研的猎户座载人登月飞船防热材料的研制情况,并介绍了两类热点的烧蚀防热材料在以往研制过程中出现的异常情况以及选材的变化及进展,总结了猎户座的研制经验,同时指出了后续空间探测器防热结构及材料的发展方向。     

基于新型防热机理的防热材料的设计与试验验证

传统的防热材料大多是依靠材料自身的高熔点"忍受"热流或依靠缓慢烧蚀来被动地延长寿命的,这些材料因其密度大或耐氧化不足等问题已经不能满足飞行器设计者的期望,突破传统的被动式防热的思路从防热机理的源头上探索新的思路或许可以找到可行的技术途径。作者设计了一个新的材料体系——耗散防热材料,即在石墨中加入还原性金属,在烧蚀过程中还原性金属耗散热量,同时耗散外界的氧,自发生成氧化物陶瓷膜。新的材料设计的思想是"利用"热流而不是单纯"忍受"热流,初步试验验证表明,在廉价的石墨渗入耗散剂——铝制备的耗散防热材料,在2 900℃,4 MW/m2热焓值烧蚀下,线烧蚀率仅为传统C/C的1/10。其耗散防热原理包含了以往的汇热防热、辐射防热、烧蚀防热、发汗防热等防热形式,增加了相变反应防热,是一种新的防热原理,这种高效能、低成本的材料预计具有很好的应用前景,也将推动非平衡条件下的金属化学基础理论突破。本材料研究的科学问题,涉及高温、高压、高速气流冲刷等非平衡状态的化学反应问题、金属流动问题等,这些问题的研究必将推动材料科学与传热学、流体力学、燃烧化学、气动力学等学科的交叉互动和新的发展。     

隐身防护多功能树脂基包装复合材料研究进展

指出了隐身防护多功能树脂基复合材料发展的重要性和必要性,分析了隐身防护复合材料的研究相状。对树脂基复合材料的主要特性进行了总结,通过分析讨论树脂基复合材料组成和成型方式对材料性能的影响,提出了隐身防护包装复合材料的发展途径。     

面向一体化热防护的陶瓷基复合材料轻量化结构研究进展与挑战EI北大核心CSCD

高超声速飞行器技术是航空航天领域发展的重要方向,对国防安全起着重要作用。高超声速飞行器能在极端环境中安全服役的关键在于飞行器的热防护材料与结构。一方面,热防护材料与结构必须能够经受恶劣的气动热环境;另一方面,热防护材料与结构还要在承载的同时尽可能降低质量以提高飞行器有效载荷。因此,需要研发兼具耐高温、轻量化、承载特性的热防护结构。本文首先综述了C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构及其制造方法,对其在室温、高温环境下的力学行为与传热行为的研究现状进行了总结,并具体讨论了基于C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构的耐高温、轻量化、承载、一体化热防护结构研究进展情况。最后,在新设计理论与方法、新制造技术、服役特性、多功能一体化设计与实现四个方面对面向一体化热防护的陶瓷基复合材料轻量化结构的研究挑战进行了展望。本文为高超声速飞行器新型热防护结构的发展提供一定借鉴与思考。     

相变蓄热材料在高超声速飞行器 热控系统中的应用

就高超声速飞行器防热与热控问题,从“相变蓄热材料充当辅助冷源”思路出发,结合不同飞行器的 飞行特点,提出了５ 种热控系统方案,即空气循环热控方案、蒸发循环热控方案、液体冷却回路方案、开式蒸发 冷却热控方案、直接式相变蓄热冷却方案;指出了选择合适相变蓄热材料及相变蓄热封装设计是其中的关键 技术,并结合航空航天领域相关技术进行了探讨与分析     

高分子复合材料在装甲防护领域的研究与应用进展

具有高比强度和高比吸能特点的纤维增强树脂基复合材料等非金属材料是装甲装备实现轻量化、强防护的关键材料。针对装甲装备防护构件对高性能抗弹材料的需求,本文综述了高分子复合材料在装甲防护领域的技术进展、应用现状及发展趋势,重点讨论了高性能纤维增强树脂基复合材料在复合装甲、结构装甲、多功能防护构件及聚合物透明材料在透明装甲上的应用,对比分析了我国芳纶Ⅱ、芳纶Ⅲ、PBO、PIPD等高品级有机纤维的研发及应用现状,提出依据纤维技术成熟度和制造成本不同实行系列化发展,用于近、中、远期装甲装备防护结构的基本设想,以及未来加强石墨烯抗弹材料、智能装甲材料等前沿新兴装甲防护材料及其机理研究,建立完善材料评价方法、作用机制模型和数据库。     

编辑导语

先进树脂基复合材料具有轻质、高强、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等特点,在飞机上应用,可以实现15%～30%减重效益,这是使用其它材料所不能实现的.     

防热复合材料高温力学性能

通过对高温环境下防热材料内部热化学烧蚀机理的分析,利用Eshelby等效夹杂方法研究了组元材料烧蚀-相变特性和高温力学性能的变化规律。假设材料热化学反应后的热解(热氧化)生成相介质统计均匀分布,考虑了烧蚀反应产生的气孔与固体相介质之间的相互作用,预报了单向纤维增强复合材料微结构与宏观性能之间的变化关系,并进行了数值计算。研究结果表明:单向复合材料纵向杨氏模量随温度升高而衰减,并与加温速率有关,典型热防护材料的高温力学性能的理论预报与实验数据进行比较,结果吻合较好,说明理论模型正确,为防热复合材料热结构分析奠定了基础。      

聚合物基射线防护材料的研究进展

简要介绍了γ射线和X射线的屏蔽防护机理及其聚合物基防护材料的设计思路,从屏蔽功能组分和聚合物基体材料的选择、功能组分的分散工艺、防护材料的优化设计等方面综述了聚合物基射线防护材料的研究现状,展望了聚合物基射线防护材料未来几个可能的发展方向。     

民用航空发动机树脂基复合材料应用进展EI北大核心CSCD

树脂基复合材料因其比强度比刚度高、可设计性好、阻尼减振性能优异、易于整体化成型等优点已成为新型航空发动机重要的结构材料。本文选取风扇叶片、包容机匣、声衬和衬套等典型航空发动机部件,介绍了树脂基复合材料在国外民用航空发动机的应用状况。之后论述了树脂基复合材料在航空发动机结构优化、经济性、环保性等方面的优势。基于微纳材料混杂技术、3D打印技术和超材料技术分析了航空发动机树脂基复合材料发展的新趋势。最后从"设计-材料-工艺-评价"角度就未来树脂基复合材料在我国民用航空发动机应用发展提出了一些思考。     

树脂基材料的高温烧蚀变形

通过对树脂基材料高温热解反应过程中热化学烧蚀机理的分析,利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法研究了材料高温烧蚀相变特性和热变形行为。假设材料体积烧蚀后,热解生成相介质统计均匀分布,考虑了热解反应产生的气孔与固体相介质之间的相互作用,预报了不同树脂基材料热膨胀系数与温度、加温速率之间的变化关系。与实验结果对照,吻合较好。     

航空发动机用树脂基复合材料应用进展与发展趋势EI北大核心CSCD

树脂基复合材料具有比强度和比模量高、疲劳性能和耐腐蚀性能好等优点,已经成为航空发动机冷端部件的应用和发展趋势。国外航空发动机用树脂基复合材料研究起步较早,已经在多型发动机的风扇叶片、风扇机匣、外涵机匣、短舱等部件得到成熟应用,并朝着结构形式更优、材料性能更好、制造成本更低、自动化程度更高的方向发展。国内树脂基复合材料发展基础良好,但与国外相比在发动机上应用比例不高,需要进一步提升设计、材料、制造、实验技术水平及工程化能力。本文重点论述国外航空发动机复合材料构件的结构、材料和工艺发展现状,分析发展趋势,从建立航空发动机用复合材料体系、加强应用研究和设计牵引、推进预研成果转化和自动化技术应用等方面提出相关建议。     

新型Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金的组织优化

新型Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金具有高熔点、低密度和高强度等特点而成为新一代推重比航空发动机热端部件最具潜力的候选材料。主要介绍了成分设计、合金化、热处理和定向凝固对新型Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金组织的优化进展,在此基础上对Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金的组织优化进行了展望。     

低密度酚醛树脂基热防护复合材料的制备及性能

烧蚀热防护是目前最成熟且应用最广泛的一种卫星再入防热措施。本工作以酚醛树脂为基体,加入固体填料(空心玻璃微球、空心二氧化硅微球及空心酚醛微球)及纤维(石英纤维、碳纤维)制成一种低密度酚醛树脂基烧蚀热防护复合材料,并通过抗弯和压缩强度测试,隔热测试,烧蚀测试等方法对复合材料的性能与组分配比的关系及复合材料的烧蚀机理进行了分析。对比力学性能、隔热性能及抗烧蚀性能发现,复合材料密度的提高以及碳纤维含量的提高有助于提升复合材料的综合性能,最佳配比为密度0.6 g/cm³、5%石英纤维+5%碳纤维。对比烧蚀前后的成分发现,酚醛树脂在高温下炭化后会与SiO₂反应生成SiC,有助于提升复合材料的抗烧蚀性能。