聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫塑料在可重復(fù)使用低溫貯箱絕熱結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

楊汝平 馬曉靜 尤 潔 趙建設(shè)

(航天材料及工藝研究所 北京 100076)

1 引 言

液氫、液氧作為運(yùn)載火箭推進(jìn)劑，具有環(huán)保、無(wú)腐蝕、比推力大等優(yōu)點(diǎn)，但由于液氫、液氧的沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，要求貯箱具有良好的絕熱性能。

低溫貯箱的絕熱結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)能夠保持推進(jìn)劑品質(zhì)，保證氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作;同時(shí)減輕低溫抽吸現(xiàn)象，防止在液氫箱體外表面出現(xiàn)大量液化空氣;在氣動(dòng)加熱、高空輻射的條件下，絕熱結(jié)構(gòu)能夠保持完整。對(duì)于可重復(fù)使用低溫貯箱，由于存在再入大氣層的使用條件，氣動(dòng)加熱環(huán)境比一次性火箭惡劣，因此，其絕熱結(jié)構(gòu)的可承受的液氫重復(fù)加注次數(shù)、最高使用溫度都需滿足重復(fù)使用要求。

實(shí)際應(yīng)用中，低溫貯箱絕熱結(jié)構(gòu)多以硬質(zhì)、閉孔聚合物泡沫塑料為主體絕熱材料，如土星［1］的低溫貯箱以CFC-11為發(fā)泡劑的硬質(zhì)閉孔聚氨酯泡沫塑料絕熱，航天飛機(jī)外貯箱［2］以聚氨酯改性聚異氰尿酸酯泡沫塑料絕熱，半人馬座［3］、阿里安［4］則以聚氯乙烯泡沫塑料絕熱。這些類(lèi)型的絕熱結(jié)構(gòu)可以滿足一次性火箭的使用要求，但普遍存在使用溫度較低(低于150℃)、重復(fù)使用易開(kāi)裂等缺點(diǎn)。

介紹了美國(guó)洛克希德航空系統(tǒng)公司、NASA蘭利研究中心、國(guó)家技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)研究所共同開(kāi)發(fā)的一種可重復(fù)使用低溫貯箱絕熱結(jié)構(gòu)，其主體絕熱材料是聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料［5－6］。

2 可重復(fù)使用PMI泡沫塑料絕熱結(jié)構(gòu)概述

2.1 絕熱結(jié)構(gòu)

可重復(fù)使用低溫貯箱絕熱結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1［6］。

圖1 可重復(fù)使用泡沫塑料絕熱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Description of reusable cryogenic thermal insulation system

絕熱結(jié)構(gòu)外表面為防熱結(jié)構(gòu)，用于抵御氣動(dòng)加熱產(chǎn)生的熱量，保護(hù)箱體和內(nèi)部的絕熱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)載器重復(fù)使用的目的[7]。

絕熱瓦的主體是PMI泡沫塑料，兩塊PMI泡沫塑料之間、頂部和底部表面用FM400膠膜粘接玻璃布增強(qiáng)，以抑制泡沫塑料產(chǎn)生裂紋;泡沫塑料頂角用小型鋁質(zhì)包角加強(qiáng)，防止在后續(xù)操作過(guò)程中泡沫塑料崩角;絕熱瓦的最外層是厚度0.02 cm的KAK防潮層，防止泡沫塑料吸潮，維持絕熱性能并延長(zhǎng)使用壽命。制成后的絕熱瓦內(nèi)表面和箱體表面圓弧一致。為便于施工，將多塊絕熱瓦粘接成102 cm×102 cm的絕熱塊，以抽真空加壓方式粘接到箱體表面。

2.2 絕熱結(jié)構(gòu)用材料

2.2.1 泡沫塑料

絕熱結(jié)構(gòu)的主體絕熱材料選用Rohacell WF級(jí)的 PMI泡沫塑料，性能見(jiàn)表 1、表 2［6］。

表1 Rohacell WF泡沫塑料的力學(xué)性能Table 1 Typical mechanical properties of Rohacell WF polymethacrylimide foam

表2 不同溫度下Rohacell WF泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)Table 2 Thermal conductivity of Rohacell WF foam under different temperature

2.2.2 膠粘劑［8］

絕熱結(jié)構(gòu)用到3種膠粘劑:EA936NA、FM400和Crest810。EA936NA為兩組分環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑，膠液呈糊狀，適用期較長(zhǎng)，用于粘接鋁質(zhì)包角;FM400以膠膜狀態(tài)供應(yīng)，膠層均勻，可以在176℃下和PMI、KAK、玻璃布一起固化，用于制備絕熱瓦;Creat810為兩組分聚氨酯膠，低溫韌性優(yōu)異，用于制備和粘接絕熱塊。3種膠的拉剪強(qiáng)度見(jiàn)表3［8］。

表3 3種膠粘劑在不同溫度下的剪切強(qiáng)度Table 3 Adhesive density and shear strength under different temperature

2.2.3 KAK

KAK為聚酰亞胺復(fù)合鋁箔，美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)，薄膜中的鋁箔保證薄膜的密封性能，聚酰亞胺薄膜則提供韌性和較好的耐高溫性能。

2.2.4 鋁質(zhì)包角和玻璃布

鋁質(zhì)包角，牌號(hào)1100鋁箔，厚度0.025 cm，退火處理，釬焊成型;玻璃布，牌號(hào)112，名義厚度0.007 6 cm。

3 絕熱結(jié)構(gòu)可重復(fù)使用性能評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)絕熱結(jié)構(gòu)重復(fù)使用能力，需模擬實(shí)際的飛行環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，模擬的可靠性取決于試驗(yàn)參數(shù)的選擇。高速飛行時(shí)，溫度和載荷的綜合作用是影響重復(fù)使用的主要因素，而熱導(dǎo)率則是決定絕熱結(jié)構(gòu)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵，所以試驗(yàn)選擇溫度、載荷和熱導(dǎo)率3個(gè)參數(shù)，并建立專(zhuān)用的試驗(yàn)裝置，以溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)和絕熱試驗(yàn)來(lái)考核可重復(fù)使用絕熱結(jié)構(gòu)的性能。

3.1 溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)

3.1.1 試樣制作

溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)的試樣有兩類(lèi)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2［6］。

圖2 溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)試樣結(jié)構(gòu)Fig.2 Thermomechanical test specimen configuration and size

制樣前，PMI泡沫塑料需進(jìn)行熱處理，以提高強(qiáng)度并增加穩(wěn)定性;2219鋁合金底板尺寸0.250 cm×27.94 cm×60.96 cm，粘接泡沫塑料前粘接面按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理。

溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)試樣的制作過(guò)程見(jiàn)圖3［8］，具體制作步驟如下:

圖3 熱-機(jī)綜合試驗(yàn)試樣制作程序Fig.3 Fabrication sequence for thermal-mechanical test specimens

(1)按表4［6］制備 PMI泡沫塑料塊，在兩塊泡沫塑料中間和外面，用FM400膠膜和玻璃布粘接。

(2)用EA936NA膠粘劑粘接鋁質(zhì)包角，粘接前先泡沫塊頂角加工，保證粘接后鋁質(zhì)包角與泡沫表面齊平。C-5試樣在粘接包角之前，將兩塊5.08 cm×12.7 cm×25.4 cm的預(yù)制PMI泡沫塑料板材用FM400膠膜拼接成5.08 cm×25.4 cm×25.4 cm的泡沫塊，接縫用FM400膠膜裱糊寬10.16 cm的KAK密封。

(3)泡沫塑料外表面用FM400膠膜裱糊防潮層KAK，要求KAK貼服，無(wú)皺褶。

(4)用Crest 810膠粘劑將泡沫塑料絕熱塊粘接到鋁合金底板上，第(3)步中裱糊的KAK薄膜在底板上翻邊2.54 cm。

3.1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)程序

試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4［9］。該裝置可以模擬實(shí)際飛行中絕熱結(jié)構(gòu)承受的載荷和氣動(dòng)加熱情況。熱室設(shè)有觀察孔，可以觀察試樣邊緣和外表面情況。每次溫度載荷循環(huán)的溫度、載荷變化情況見(jiàn)圖5［6］。試驗(yàn)使用液氮和液氦制冷，先進(jìn)行液氮試驗(yàn)，每進(jìn)行9次液氮試驗(yàn)后，進(jìn)行1次液氦試驗(yàn)。

表4 溫度－載荷聯(lián)合試驗(yàn)試樣結(jié)構(gòu)Table 4 Thermaomechanical test specimens description

圖4 溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)裝置Fig.4 Schematic diagram of thermomechanical test apparatus

圖5 溫度-載荷試驗(yàn)循環(huán)參數(shù)Fig.5 Thermomechanical test cycle parameters

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 5［6］。

可以看出，以PMI泡沫塑料為主體的絕熱結(jié)構(gòu)初步滿足了重復(fù)性使用的要求。

C-2經(jīng)受了250次溫度-載荷聯(lián)合作用的循環(huán)試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)泡沫脫粘。第138次試驗(yàn)時(shí)，KAK出現(xiàn)有219cm2鼓包，250次試驗(yàn)后，鼓包面積擴(kuò)展到323cm2。泡沫塑料未發(fā)現(xiàn)異常，采用儀器檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋、分層等缺陷。

表5 溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Thermomechanical test results

C-3和C-4的泡沫塑料密度略低，分別在第60次和第39次循環(huán)時(shí)發(fā)生粘接泡沫塑料的Crest 810膠與底板脫粘;試樣修復(fù)后，C-3又進(jìn)行40次循環(huán)后泡沫脫粘;C-4又進(jìn)行30次循環(huán)后脫粘。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)KAK鼓包和泡沫塑料缺陷。

C-5為拼接試樣，在第90到100次循環(huán)之間泡沫塑料脫粘，比C-3和C-4略好。試驗(yàn)后，試樣無(wú)異常現(xiàn)象，泡沫塑料未發(fā)現(xiàn)裂紋、分層，拼接處無(wú)開(kāi)裂。

試驗(yàn)中，C-2的KAK鼓包可能是其表面溫度較高(204℃ －210℃)，超過(guò)FM400的最高使用溫度204℃導(dǎo)致。在后續(xù)試驗(yàn)中，控制空氣溫度不超過(guò)204℃，試樣表面溫度在190℃左右，KAK不再產(chǎn)生鼓包。

對(duì)完成試驗(yàn)的試樣進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)各試樣泡沫塑料粘接情況差別較大，可能是造成脫粘的主要原因。C-2膠層厚度最薄，只有0.038 cm，其它試樣膠層厚則在0.083 cm—0.122 cm之間，而且脫粘的泡沫表面沿長(zhǎng)度方向有高度0.076 cm—0.102 cm的膠棱。

3.2 熱導(dǎo)率試驗(yàn)

3.2.1 熱導(dǎo)率試樣制作

熱導(dǎo)率試樣共3種，結(jié)構(gòu)及尺寸見(jiàn)圖6［6］。

3.2.2 熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果及分析

熱導(dǎo)率按ASTM C177要求用平板導(dǎo)熱儀進(jìn)行測(cè)試，在熱流穩(wěn)定狀態(tài)下，測(cè)量試樣兩側(cè)溫差ΔT和主加熱板功率Q，計(jì)算得到熱導(dǎo)率K。測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表6［6］，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖 7［6］。根據(jù)圖 7，相同測(cè)試條件下，隨著PMI泡沫塑料密度增加，溫度增加，熱導(dǎo)率按一定的函數(shù)關(guān)系增加。PMI 71-1-VAC的熱導(dǎo)率數(shù)值是PMI 71-1在氮?dú)猸h(huán)境中完成測(cè)試后，在抽真空至5×10－3τ下再次測(cè)試的結(jié)果，可以看出在真空條件下，PMI 71WF的熱導(dǎo)率明顯低于氮?dú)猸h(huán)境中的熱導(dǎo)率。噴涂PU泡沫塑料的熱導(dǎo)率則呈現(xiàn)特殊的S形曲線。

圖6 熱導(dǎo)率試樣結(jié)構(gòu)與尺寸Fig.6 Thermal conductivity test specimen configuration and size

表6 熱導(dǎo)率測(cè)試參數(shù)Table 6 Thermal conductivity test parameters

圖7 熱導(dǎo)率-溫度曲線Fig.7 Thermal conductivity vs.temperature curve

泡沫塑料的熱導(dǎo)率由泡孔中的氣體對(duì)流、傳導(dǎo)，聚合物的固體傳導(dǎo)，泡孔間輻射組成;其中輻射占5%，對(duì)流傳導(dǎo)可以忽略(泡孔直徑≤0.27 mm)，影響泡沫塑料熱導(dǎo)率的主要因素是氣體傳導(dǎo)和固體傳導(dǎo)。

對(duì)于PMI泡沫塑料，聚合物體系、泡孔形狀、泡孔內(nèi)氣體(種類(lèi)和壓力)基本相同，其熱導(dǎo)率受密度影響較大，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，在相同測(cè)試條件下，隨密度增加，熱導(dǎo)率增大。

對(duì)于噴涂PU泡沫塑料，泡孔中通常是空氣和氟利昂的混合氣體，在－9℃—－62℃間，隨著溫度降低，氟利昂氣體的摩爾分?jǐn)?shù)逐漸降低，混合氣體的熱導(dǎo)率則逐漸增加，受氣體熱導(dǎo)率影響，在此溫度區(qū)間，泡沫塑料熱導(dǎo)率隨溫度下降而上升，導(dǎo)致熱導(dǎo)率-溫度曲線呈現(xiàn)S形。

3.3 絕熱效率

作為低溫絕熱材料，除了要具有較低的熱導(dǎo)率以外，還要考慮絕熱結(jié)構(gòu)對(duì)貯箱結(jié)構(gòu)重量的影響，通常采用密度與熱導(dǎo)率的乘積(ρλ值)來(lái)綜合評(píng)價(jià)材料的絕熱效率，ρ表示泡沫塑料的密度，λ表示泡沫塑料的熱導(dǎo)率。ρλ乘積越小，泡沫塑料絕熱效率越高［10］。

PMI和噴涂泡沫塑料的絕熱效率見(jiàn)表7。表中PU泡沫塑料的絕熱效率最好，但受材料性質(zhì)的限制，PU泡沫塑料難以承受返回過(guò)程中的熱環(huán)境，只能用于一次性使用的絕熱結(jié)構(gòu);根據(jù)圖7，PMI泡沫的密度越低，熱導(dǎo)率越小，因此與71WF和110WF相比，51WF的絕熱效率最高。

表7 不同泡沫塑料的絕熱效率Table 7 Thermal insulation coefficient of different foams

4 總 結(jié)

(1)以聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫塑料為主體的絕熱結(jié)構(gòu)，能夠承受多次溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)，最多達(dá)到250次循環(huán)無(wú)損壞，具有較好的可重復(fù)使用性;使用的次數(shù)受泡沫塑料與金屬箱體的粘接質(zhì)量影響較大。

(2)密度較小的PMI泡沫塑料具有較好的絕熱效率，需綜合考慮可重復(fù)使用性來(lái)確定最終的泡沫塑料規(guī)格。

1 F E Mack，M E Smith，High-performance spray-foam insulation for application on Saturn S-II stage［J］.Advances in Cryogenic Engineering，1971，V16:118.

2 C Gray，L Ronquillo，C Williams.Spray-on foam insulation development for the space shuttle external tank thermal protection system［R］.E-42218.

3 M J Gruszczynski，etc.Design，development，and test of the atlas liquid hydrogen propellant tank foam insulation system［R］.AIAA 91-1438.

4 王基祥.國(guó)外航天運(yùn)載器液氫箱絕熱系統(tǒng)［J］.低溫工程，1993(3):1-5.

5 A H Taylor，L R Jackson，and R C Davis.Structural concepts for future space transportation orbiters［R］.AIAA 83-0210.

6 P S McAuliffe，A H Taylor，L L Sparks，et al.Reusable cryogenic foam insulation for advanced aerospace vehicles［R］.AIAA 91-0542.

7 R C Davis，A H Taylor.Cryogenic insulation system patent application［R］.N87-25478.

8 P S McAuliffe，R C Davis，A H Taylor.Development of a reusable，flight-weight cryogenic foam insulation system［R］.A86-40612.

9 Theodore F Johnson，Roderick Natividad，H Kevin Rivers，et al.Thermal structures technology development for reusable launch vehicle cryogenic propellant tanks［R］.NASA-98-staif-tfj.

10 J L McGrew.A comparative study of airborne liquid-hydrogen tank insulation［J］.Advances in cryogenic engineering，1963(8):387.