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建材總院隔熱材料助力中國航天展翅高飛

2019-04-18 12:50:54 來源:中國建材報

 

圖為柔性陶瓷隔熱材料。

  隨著航天飛行器向著高速、大推力和長工作時間的方向發展,對熱防護材料和技術提出了更高要求,熱防護技術已經成為各軍事大國爭先搶占的科技制高點。熱防護系統是每個航天器服役于高溫熱環境下所需的子系統,是保證航天器在高溫環境下不至于發生過熱和燒毀的一項關鍵技術。熱防護的目的是吸收或耗散熱量,實現熱防護的關鍵在于隔熱材料的選擇和防熱結構的設計。要對發動機系統進行有效熱防護,阻斷熱量向外傳遞,使發動機的外壁面始終處于安全的工作溫度環境,保證飛行器的安全性和可靠性。

  國外對熱防護材料與結構的研究工作起步較早。上世紀60年代,形成了第一代熱防護結構,以樹脂基復合材料為基礎,將樹脂基復合材料貼于金屬內蒙皮上,用于熱防護。但是,這類材料的極限使用溫度較低,約為300℃,在使用過程中還是存在較多問題。到上世紀90年代,形成了第二代熱防護結構,幾乎全部使用鈦合金作為外蒙皮,內部使用柔性熱防護材料。這種熱防護結構設計簡單,成本較低,其隔熱效果主要取決于柔性熱防護材料,綜合隔熱性能不佳。本世紀初,形成了第三代熱防護結構,主干材料選用陶瓷基復合材料和金屬蜂窩,隔熱效果相對較好。熱防護結構輕,隔熱性能好,但是該類材料柔性較差,容易破損,抗熱震性能及復雜形狀加工性能差。最近幾年,研究者們又研究出一類新型熱防護結構,被稱為第四代熱防護結構,所用材料包括高性能泡沫陶瓷、陶瓷纖維熱防護材料、增韌陶瓷材料等,這類材料質更輕、耐久性時間更長、隔熱性能更好。

 

圖為柔性隔熱材料包覆裝置。

  熱防護技術作為我國航天飛行器發展的關鍵技術之一,也是航天飛行器研制的重點和難點。成立專門的研發團隊,專門從事熱防護材料與結構的研究工作顯得尤為重要。中國建筑材料科學研究總院有限公司所屬陶瓷科學研究院(以下簡稱研究院)在熱防護材料方面的研制工作早已啟動,并且在空天飛行器隔熱材料選用和結構設計上開展了大量研究工作,積累了豐富的經驗和堅實的技術基礎。面對國防科工局下達給研究院的發動機用熱防護材料的研究工作,研究院積極開展了耐高溫隔熱材料的研究攻關。面對國外的技術封鎖,研究院在最初階段只能依靠自己的經驗在寬泛的材料體系內研發耐高溫隔熱材料,也曾由于考慮不夠充分,導致熱防護失效。但研究院面對失敗從不氣餒,一次又一次對實驗進行補充完善,最終克服重重困難,攻克層層難關,最終研制出滿足發動機隔熱需求的耐高溫隔熱材料,并形成了完善的理論體系和實際實驗經驗。目前,研究院在理論上認識隔熱材料的傳熱特性和機理,在實驗上研究探索隔熱材料的耐溫性能,在最終產品實驗件上評估隔熱材料的可靠性,成功研制出多種耐高溫隔熱材料,并在多個產品上實現了應用,自主創新填補國內技術空白,達到國際同類產品的先進水平。

  陶瓷纖維隔熱材料在低溫環境下隔熱性能良好,但是隨著溫度的上升,隔熱材料的導熱系數增大,隔熱性能嚴重下降。目前,隔熱材料面臨的主要困難之一是缺乏高溫服役環境下的熱性能數據,熱防護系統的安全性無法得到相應保證。研究院的研制小組成員在理論上認真研究了隔熱材料高溫下的傳熱特性和傳熱機理,對于加深高溫傳熱特性的認識,采取相應措施提高高溫下隔熱材料的性能,具有重要意義。采用遺傳算法,以氧化鋯纖維剛性隔熱瓦為例,計算了材料在不同溫度下3種傳熱方式各自所占的比例。開展隔熱材料高溫熱物性研究,確定材料的失效機理,對于開展材料的可靠性評估、提高熱防護系統的安全性具有重要意義。

  燃燒室和噴管是發動機的核心部件,在發動機工作時,燃燒室和噴管產生大量熱量,為防止發動機被高溫燒壞或因過熱而降低發動機外部結構強度,從而危及整個結構完整性,同時為保護其周邊的電子設備,必須對發動機及其外部結構進行可靠的熱防護。發動機的熱防護結構面臨工作時間長、工作空間狹小和大溫度梯度的周圍環境,研究院提出使用具有高效隔熱的低密度、柔性功能梯度復合隔熱材料。該結構復合隔熱材料為若干層不同成分的材料,即高溫層隔熱材料、中溫層隔熱材料和低溫層隔熱材料。高溫層接觸高溫的耐燒蝕層,主要考慮耐高溫性能,對導熱率的要求不高,只需要將溫度降到能夠使相鄰中溫層可以正常工作的溫度條件;中溫層具有較低的導熱系數,使溫度進一步降低;低溫層具有更低的導熱系數,能夠將溫度降至設計要求溫度。不同的材料具有不同的耐熱性能和導熱系數,整體上滿足既耐高溫又具有低導熱系數的要求。通過實驗,確定了最佳的梯度隔熱材料結構,對確定的梯度隔熱材料進行發動機實驗,檢驗真實條件下的隔熱性能。結果表明,發動機隔熱實驗后,隔熱實驗件結構整體保持完整,梯度隔熱材料能夠使發動機實驗件的外表面最高溫度小于設計溫度,滿足發動機的使用要求。分解隔熱層進一步檢查,梯度隔熱層材料未出現分解、熔融現象,驗證了梯度組合方案的正確性,證明設計的梯度隔熱材料能夠滿足工程應用要求。

  新型飛行器在大氣層內長時間快速飛行,當前國內外的研究主要集中在隔熱材料的高溫低導熱、高強度及多層組合等方面。這些材料在發動機非工作狀態下非常穩定,但是在發動機開始工作后,每種材料的熱膨脹系數存在差異,在金屬殼體和隔熱材料之間往往會形成較大的間隙,這些間隙成為熱量的直接傳播通道,影響發動機的隔熱性能,給發動機的結構可靠性造成隱患。針對以上問題,研究院研制出了一種能自適應填充隔熱材料,可填充這些間隙,而且該材料在填充后仍具有較好的隔熱性能。通過將可膨脹石墨與氧化鋁纖維進行有效復合,氧化鋁纖維具有的導熱系數低、熱容量大和成本低廉等優點,在中高溫環境中的隔熱效果已得到廣泛認同;可膨脹石墨的層間化合物在受熱達到一定溫度時開始分解,產生大量氣體,這些氣體在密閉空間里產生很大的推力,碳層受到推力而向外膨脹,體積變大,從而起到膨脹的效果,填補結構件之間的縫隙。

  通過研究,研究院已經形成了熱防護設計技術、低導熱系數柔性隔熱材料制備技術、納米孔隔熱材料制備技術、梯度隔熱材料復合制備技術、超高溫隔熱材料制備技術、紅外輻射屏蔽技術及吸熱隔熱材料制備技術等技術基礎,為我國航天事業的熱防護設計提供了廣泛的材料選擇余地。拓展現有熱防護系統及相關熱防護材料的耐極端環境能力、探索新的熱防護材料體系是研究院未來的研究方向,研究院也會一如既往地發揮在該領域的技術優勢,以期在發動機熱防護用隔熱材料方面譜寫新的篇章,為中國航天事業作出更大的貢獻。

作者:艾兵 張世超 陳玉峰  責編:丁濤 校對:黑寒 監審:王怡潔

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