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)

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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:對兩種蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料和一種中密度燒蝕結構材料力學性能及隔熱性能進行了測試，同時通過電弧風洞對三種燒蝕防熱材料的燒蝕性能進行了研究。結果表明，在一定的熱流狀態(tài)下，蜂窩增強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線性關系。

關鍵詞:防熱材料；燒蝕；隔熱性能；碳層

1引言

蜂窩增強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，該類材料廣泛應用于航天領域，特別是應用于工作在高焓、中低熱流密度和較長時間燒蝕環(huán)境下的航天器(例如星際探測器和返回式航天器等)，具有不可替代的重要作用。國外的雙子座號[1]、阿波羅號[2-3]以及MER[4]、MPF[5-6]等火星探測器都是采用了蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料，美國在研的飛船獵戶座返回艙在經(jīng)歷了眾多材料篩選后，最終采用蜂窩增強低密度防熱材料[7]，我國神舟飛船返回艙熱防護結構也是采用蜂窩增強低密度燒蝕材料[8]。

蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料有如下特點[8]：1)可設計性強，利用配方設計軟件，可設計不同密度、不同工藝性能的材料系列，以提高多功能低密度復合材料在不同導彈、不同部位上的適應性，可用于大面積防熱結構；2)可修補，修補材料能室溫或中溫固化，修補工藝簡便可靠，能在生產(chǎn)、服役現(xiàn)場進行修補；3)可靠性高，采用整體成型防熱結構，整體性強、匹配性好；4)密度低、防熱效率高，適合低熱流密度、長時間熱環(huán)境條件的熱防護；5)成型效率高，可有效降低材料成型成本。

本文開展了蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料及其配套中密度玻璃鋼燒蝕結構材料性能研究，采用電弧風洞試驗對材料防熱性能進行考核，為后續(xù)材料的應用提供數(shù)據(jù)支撐。

2試驗部分

2.1材料

材料1(蜂窩增強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構材料)，密度約為1.4 g/cm3，自行研制。

2.2性能測試

對蜂窩增強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]按照相應測試標準進行測試。

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

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

3結果分析

3.1基本性能

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

表1材料1、2的力學性能及隔熱性能

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果

3.2.1燒蝕形貌分析

采用電弧風洞試驗對材料燒蝕性能進行測試和研究，表3為防熱材料的燒蝕結果，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硬、均勻，無宏觀剝蝕，材料無后退量，且稍有膨脹，這與材料的組成有關。在燒蝕過程中，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，導致在一定深度的材料發(fā)生熱解反應，再吸收一部分熱量，反應生成的大量熱解氣體大部分向材料表面擴散，從而形成一定的碳層膨脹現(xiàn)象。同時熱解氣體向表面擴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嚴重，這主要是因為材料2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重，表1中材料2的質(zhì)量損失率較材料1更大，也說明了材料2熱解嚴重，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

有關燒蝕材料熱解碳化，熱解氣體逸出的燒蝕機理見圖3，外界熱量不斷從材料表面向內(nèi)部傳遞，當材料內(nèi)部溫度達到熱解溫度時，材料發(fā)生熱解，當溫度升高到碳化溫度時，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的表面形貌與單獨材料1燒蝕后表面形貌沒有明顯區(qū)別，而組合件中材料3與單獨材料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)也證實了熱量在兩種材料之間傳遞的現(xiàn)象，這在一定程度上說明了組合材料在燒蝕過程中存在熱量匹配與重新分布的現(xiàn)象，即燒蝕過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，本文對燒蝕后的材料進行機械解剖，目視剖面形貌，測量碳層厚度，即文中測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間情況下，溫度到達材料內(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相應性能的比值)，可見，材料1與材料2的碳層厚度與隔熱性能成較好的對應關系，而與材料3則無明顯對應關系，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)生的具體物理化學反應有所不同，但燒蝕機理相近，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，燒蝕反應以熔融吸熱為主，碳化為輔，從而對應關系較差。

本文所討論的材料1和材料2均是無燒蝕后退，這在一定程度上簡化了碳層的形成過程，即碳層主要是由于熱量向內(nèi)部傳導所形成。材料的碳層厚度與隔熱性能并未呈現(xiàn)良好的量化對應關系(如圖6所示)，主要是因為燒蝕是很復雜的動態(tài)過程，即使為了便于計算及預測，將整個燒蝕過程看作靜態(tài)過程及一維模型，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法良好對應。對于類似的材料組成，相近的燒蝕機理及燒蝕歷程，其隔熱性能參數(shù)可以定性對材料的碳層厚度進行判斷及分析。為了得到較為精準的數(shù)據(jù)，還需依據(jù)能夠反映材料燒蝕動態(tài)變化的風洞試驗進行校正和擬合。

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

4結論

1)在較低熱流狀態(tài)下，蜂窩增強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)象嚴重。

2)兩種燒蝕防熱材料組合燒蝕時，會出現(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 家庭成員個體特征對于家庭功能及兒童的影響 從上述的研究結果中不難發(fā)現(xiàn)，行為異常組兒童父母的知識性及宗教道德觀得分明顯低于正常組兒童。這與某些研究的結果一致［9－10］。知識性反映一個家庭撫育者的知識文化水平及家庭的科學文化氣氛。文化素質(zhì)高的父母可能更注重用科學的態(tài)度和方法養(yǎng)育子女，更早認識并發(fā)現(xiàn)兒童的心理行為問題，在面對兒童的行為情緒問題時，也更傾向于尋求科學育兒方法的幫助，及時發(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。

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線性關系。

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GJB330A-2000 Test Method for Specific Heat Capacity of Solids in the Temperature Range from 60 to 2773K[S].(in Chinese)

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

基金項目：載人航天預先研究項目(060101)

作者簡介：梁馨(1979-)，女，博士，高級工程師，研究方向為樹脂基功能及結構復合材料。E-mail：13810171997@139.com

中圖分類號：TB332

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5825(2016)03-0298-04