梁　馨，譚朝元，羅麗娟，方　洲，郭鴻俊

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

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低密度防熱材料燒蝕性能研究

梁馨，譚朝元，羅麗娟，方洲，郭鴻俊

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

摘要:對(duì)兩種蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料和一種中密度燒蝕結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能及隔熱性能進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)通過(guò)電弧風(fēng)洞對(duì)三種燒蝕防熱材料的燒蝕性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在一定的熱流狀態(tài)下，蜂窩增強(qiáng)低密度防熱材料未出現(xiàn)燒蝕后退，而是輕微膨脹，且材料密度對(duì)其燒蝕形貌及碳層厚度均有一定影響；不同防熱材料在燒蝕過(guò)程中存在熱量傳遞與重新分布，從而減緩防熱性能較差材料的燒蝕程度，提高兩種材料的燒蝕匹配性能。隔熱性能好的材料碳層厚度小，但隔熱性能與碳層厚度無(wú)線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞:防熱材料；燒蝕；隔熱性能；碳層

1引言

蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕材料是由蜂窩及其內(nèi)填充的多組分材料組成，是密度≤1.0 g/cm3的一類燒蝕防熱材料，該類材料廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域，特別是應(yīng)用于工作在高焓、中低熱流密度和較長(zhǎng)時(shí)間燒蝕環(huán)境下的航天器(例如星際探測(cè)器和返回式航天器等)，具有不可替代的重要作用。國(guó)外的雙子座號(hào)[1]、阿波羅號(hào)[2-3]以及MER[4]、MPF[5-6]等火星探測(cè)器都是采用了蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料，美國(guó)在研的飛船獵戶座返回艙在經(jīng)歷了眾多材料篩選后，最終采用蜂窩增強(qiáng)低密度防熱材料[7]，我國(guó)神舟飛船返回艙熱防護(hù)結(jié)構(gòu)也是采用蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕材料[8]。

蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料有如下特點(diǎn)[8]：1)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，利用配方設(shè)計(jì)軟件，可設(shè)計(jì)不同密度、不同工藝性能的材料系列，以提高多功能低密度復(fù)合材料在不同導(dǎo)彈、不同部位上的適應(yīng)性，可用于大面積防熱結(jié)構(gòu)；2)可修補(bǔ)，修補(bǔ)材料能室溫或中溫固化，修補(bǔ)工藝簡(jiǎn)便可靠，能在生產(chǎn)、服役現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行修補(bǔ)；3)可靠性高，采用整體成型防熱結(jié)構(gòu)，整體性強(qiáng)、匹配性好；4)密度低、防熱效率高，適合低熱流密度、長(zhǎng)時(shí)間熱環(huán)境條件的熱防護(hù)；5)成型效率高，可有效降低材料成型成本。

本文開(kāi)展了蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料及其配套中密度玻璃鋼燒蝕結(jié)構(gòu)材料性能研究，采用電弧風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)材料防熱性能進(jìn)行考核，為后續(xù)材料的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

2試驗(yàn)部分

2.1材料

材料1(蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料)，密度約為0.71 g/cm3，自行研制；

材料2(蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料)，密度約為0.89 g/cm3，自行研制；

材料3(中密度玻璃鋼燒蝕結(jié)構(gòu)材料)，密度約為1.4 g/cm3，自行研制。

2.2性能測(cè)試

對(duì)蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕材料的拉伸性能[9]和中密度玻璃鋼材料的拉伸性能[10]按照相應(yīng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕材料和中密度玻璃鋼材料的隔熱性能參數(shù)由熱物理性能測(cè)試[11-12]數(shù)據(jù)計(jì)算而得。

采用電弧風(fēng)洞燒蝕試驗(yàn)對(duì)材料的防熱性能進(jìn)行考核，考察材料的表面燒蝕狀態(tài)以及質(zhì)量損失情況。電弧風(fēng)洞燒蝕試驗(yàn)條件為：熱流密度700 kW/m2，燒蝕時(shí)間80 s。試驗(yàn)中，采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量并記錄材料的表面溫度，并測(cè)量材料碳化層的厚度、線后退率及質(zhì)量損失率。

3結(jié)果分析

3.1基本性能

表1為材料1和材料2的力學(xué)和隔熱性能(多數(shù)據(jù)平均值)，表2為材料3的力學(xué)和隔熱性能(多數(shù)據(jù)平均值)，該部分?jǐn)?shù)據(jù)為計(jì)算材料性能及力學(xué)承載能力提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表1材料1、2的力學(xué)性能及隔熱性能

Table 1Mechanical properties and insulation performance parameters of material 1 and 2

表2材料3的力學(xué)性能及隔熱性能

Table 2Mechanical properties and insulation performance parameters of material 3

3.2燒蝕防熱性能考核結(jié)果

3.2.1燒蝕形貌分析

采用電弧風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)材料燒蝕性能進(jìn)行測(cè)試和研究，表3為防熱材料的燒蝕結(jié)果，圖1為材料1燒蝕前后的形貌，材料燒蝕之后表面的碳層堅(jiān)硬、均勻，無(wú)宏觀剝蝕，材料無(wú)后退量，且稍有膨脹，這與材料的組成有關(guān)。在燒蝕過(guò)程中，材料表面發(fā)生燒蝕碳化，吸收一部分熱量，而材料內(nèi)部由于熱量傳遞而溫度升高，導(dǎo)致在一定深度的材料發(fā)生熱解反應(yīng)，再吸收一部分熱量，反應(yīng)生成的大量熱解氣體大部分向材料表面擴(kuò)散，從而形成一定的碳層膨脹現(xiàn)象。同時(shí)熱解氣體向表面擴(kuò)散也阻止了熱量向材料內(nèi)部的傳遞，即形成了熱阻塞作用，進(jìn)一步減少熱量傳入材料內(nèi)部，從而起到降低材料內(nèi)部溫度的作用。

表3　防熱材料燒蝕結(jié)果

圖1　材料1燒蝕前后形貌Fig.1　Morphology of material 1 before and after ablation

圖2為材料2燒蝕前后的形貌，材料燒蝕后同樣形成了堅(jiān)硬、致密的碳層。材料2的碳層也出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，且膨脹程度較材料1嚴(yán)重，這主要是因?yàn)椴牧?的密度較材料1大，同樣燒蝕狀態(tài)下，材料熱解產(chǎn)生的氣體量更大，從而造成材料的膨脹也更為嚴(yán)重，表1中材料2的質(zhì)量損失率較材料1更大，也說(shuō)明了材料2熱解嚴(yán)重，即產(chǎn)生了更多的熱解氣體。

圖2　材料2燒蝕前后形貌Fig.2　Morphology of material 2 before and after ablation

有關(guān)燒蝕材料熱解碳化，熱解氣體逸出的燒蝕機(jī)理見(jiàn)圖3，外界熱量不斷從材料表面向內(nèi)部傳遞，當(dāng)材料內(nèi)部溫度達(dá)到熱解溫度時(shí)，材料發(fā)生熱解，當(dāng)溫度升高到碳化溫度時(shí)，材料發(fā)生碳化，而在碳化溫度與熱解溫度區(qū)域之間，便形成了熱解層，在碳化溫度以上的區(qū)域，形成了碳化層。

圖3　材料燒蝕機(jī)理示意圖Fig.3　Schematic diagram of ablation mechanism

由于材料2隔熱性能參數(shù)較大，向內(nèi)部傳導(dǎo)熱量較快，因此發(fā)生熱解的材料更多，質(zhì)量損失率較大，因而在燒蝕中帶走的熱量更多，使材料2的表面溫度略低于材料1。

圖4為材料3燒蝕前后的形貌，可以看到在該燒蝕狀態(tài)下，材料中的樹(shù)脂發(fā)生碳化，而填料則出現(xiàn)熔融，在材料表面留下明顯的硅基熔融現(xiàn)象。圖5為材料1與材料3組成的試驗(yàn)件燒蝕后的形貌，在同樣的燒蝕條件下，組合件中材料1的表面形貌與單獨(dú)材料1燒蝕后表面形貌沒(méi)有明顯區(qū)別，而組合件中材料3與單獨(dú)材料3燒蝕后表面形貌則有明顯差別，主要表現(xiàn)在組合件中材料3燒蝕后未見(jiàn)明顯的熔融液體，表面只有灰白色碳層，這主要是由于組合件在燒蝕過(guò)程中，材料3的表面溫度高于材料1，形成一定的溫度梯度，熱量從材料3傳向材料1，從而降低了自身的溫度，未發(fā)生明顯的熔融。表3顯示單獨(dú)材料3的表面溫升為1572℃，而組合件中材料3的表面溫升為1487℃，二者相差85℃，該數(shù)據(jù)也證實(shí)了熱量在兩種材料之間傳遞的現(xiàn)象，這在一定程度上說(shuō)明了組合材料在燒蝕過(guò)程中存在熱量匹配與重新分布的現(xiàn)象，即燒蝕過(guò)程中熱量傳遞具有多維性。

圖4　材料3燒蝕前后形貌Fig.4　Morphology of material 3 before and after ablation

圖5　材料1與材料3組合件燒蝕后形貌Fig.5　Morphology of material 1 and 3 assembled after ablation

3.2.2燒蝕碳層分析

碳層是材料達(dá)到一定溫度后，發(fā)生碳化而形成的燒蝕表面層，材料組成不同，形成碳層的溫度范圍也不同。碳層的厚度在一定程度上反映了熱量向內(nèi)部傳遞的情況，本文對(duì)燒蝕后的材料進(jìn)行機(jī)械解剖，目視剖面形貌，測(cè)量碳層厚度，即文中測(cè)量的碳層厚度為表觀碳層厚度。材料1碳層厚度為4.1 mm，同樣的燒蝕狀態(tài)下，材料2的碳層厚度為5.1 mm，增加了25%左右，這主要是由于材料2的原始材料隔熱性能較材料1差，熱量傳遞也較快，因此在同樣的加熱時(shí)間情況下，溫度到達(dá)材料內(nèi)部的深度更大，即碳層厚度更大。圖6為材料1、2、3的隔熱性能與碳層厚度的關(guān)系(為方便比較，圖中將材料1的隔熱性能與碳層厚度定為“1”，其他數(shù)值為材料2、材料3與材料1相應(yīng)性能的比值)，可見(jiàn)，材料1與材料2的碳層厚度與隔熱性能成較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而與材料3則無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，這主要是材料1與材料2為相似類型的燒蝕防熱材料，材料組成較為接近，雖然發(fā)生的具體物理化學(xué)反應(yīng)有所不同，但燒蝕機(jī)理相近，均以燒蝕碳化為主，熔融吸熱為輔；而材料3在材料組成上與材料1、2有較大差異，燒蝕反應(yīng)以熔融吸熱為主，碳化為輔，從而對(duì)應(yīng)關(guān)系較差。

本文所討論的材料1和材料2均是無(wú)燒蝕后退，這在一定程度上簡(jiǎn)化了碳層的形成過(guò)程，即碳層主要是由于熱量向內(nèi)部傳導(dǎo)所形成。材料的碳層厚度與隔熱性能并未呈現(xiàn)良好的量化對(duì)應(yīng)關(guān)系(如圖6所示)，主要是因?yàn)闊g是很復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，即使為了便于計(jì)算及預(yù)測(cè)，將整個(gè)燒蝕過(guò)程看作靜態(tài)過(guò)程及一維模型，燒蝕中碳層輻射出的熱量也很難衡量，從而造成隔熱性能與碳層厚度無(wú)法良好對(duì)應(yīng)。對(duì)于類似的材料組成，相近的燒蝕機(jī)理及燒蝕歷程，其隔熱性能參數(shù)可以定性對(duì)材料的碳層厚度進(jìn)行判斷及分析。為了得到較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，還需依據(jù)能夠反映材料燒蝕動(dòng)態(tài)變化的風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行校正和擬合。

圖6　材料的隔熱性能與碳層厚度的關(guān)系Fig.6　Relationship between insulation performance and char layer thickness for material 1～3

4結(jié)論

1)在較低熱流狀態(tài)下，蜂窩增強(qiáng)低密度防熱材料未出現(xiàn)燒蝕后退，而是輕微膨脹；密度大的材料質(zhì)量損失較多、產(chǎn)生熱解氣體量較大，膨脹現(xiàn)象嚴(yán)重。

2)兩種燒蝕防熱材料組合燒蝕時(shí)，會(huì)出現(xiàn)熱量傳遞與重新分布，減緩燒蝕性能較差材料的燒蝕程度，提高兩種材料的燒蝕匹配性。

3．1 家庭成員個(gè)體特征對(duì)于家庭功能及兒童的影響 從上述的研究結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn)，行為異常組兒童父母的知識(shí)性及宗教道德觀得分明顯低于正常組兒童。這與某些研究的結(jié)果一致［9－10］。知識(shí)性反映一個(gè)家庭撫育者的知識(shí)文化水平及家庭的科學(xué)文化氣氛。文化素質(zhì)高的父母可能更注重用科學(xué)的態(tài)度和方法養(yǎng)育子女，更早認(rèn)識(shí)并發(fā)現(xiàn)兒童的心理行為問(wèn)題，在面對(duì)兒童的行為情緒問(wèn)題時(shí)，也更傾向于尋求科學(xué)育兒方法的幫助，及時(shí)發(fā)現(xiàn)自己現(xiàn)用育兒方法的不足加以改正，有利于兒童的健康成長(zhǎng)。

3)在本文熱流狀況下，材料隔熱性能好的碳層厚度小，但隔熱性能與碳層厚度無(wú)線性關(guān)系。

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Research on Ablation Properties of Low Density Thermal Protection Materials

LIANG Xin, TAN Zhaoyuan, LUO Lijuan, FANG Zhou, GUO Hongjun

(Aerospace Research Institute of Material & Processing Technology, Beijing 100076, China)

Abstract:The mechanical properties and insulation performance parameters of two kinds of low density ablation materials reinforced by honeycomb and a kind of mid-density ablation-structure material were tested and the ablation performance was studied by arc-heated wind tunnel test. It was found that the low density ablation materials reinforced by honeycomb had no recession, but slight expansion was found under condition of certain heat flow density inferred in this manuscript. The density of the materials could impact the morphology and the thickness of the char layer forming during the ablation. When thermal protection properties were matched, the heat transferred and redistributed between different ablation materials. The ablation degree of the material with worse thermal protection property was lowed and the ablation matching properties between the two materials was improved. The thickness of char layer of the material with better insulation performance was smaller, but there was no linear relationship between the insulation performance and the thickness of char layer.

Key words:thermal protection material;ablation;insulation performance;char layer

收稿日期：2015-09-15；修回日期：2016-03-21

基金項(xiàng)目：載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目(060101)

作者簡(jiǎn)介：梁馨(1979-)，女，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闃?shù)脂基功能及結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。E-mail：13810171997@139.com

中圖分類號(hào)：TB332

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5825(2016)03-0298-04