高超聲速飛行器熱防護(hù)材料研究進(jìn)展

呂泉江 陳芳育

摘 要：熱防護(hù)材料是高超聲速飛行器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。常用熱防護(hù)材料有C/C復(fù)合材料、超高溫陶瓷、樹脂基復(fù)合材料、難熔金屬及金屬基復(fù)合材料等。本文針對(duì)不同材料的特點(diǎn)歸納總結(jié)，提出了高超聲速飛行器熱防護(hù)材料面臨的問題，為今后的發(fā)展和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：熱防護(hù)材料;C/C復(fù)合材料;超高溫陶瓷;樹脂基復(fù)合材料;難熔金屬;金屬基復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：V259 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）01-0066-02

0 引言

高超聲速飛行器具有隱蔽性好、作戰(zhàn)能力強(qiáng)和效能高等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景[1]。由于飛行馬赫數(shù)大，過載大，其熱防護(hù)材料設(shè)計(jì)是必須解決的安全問題，設(shè)計(jì)時(shí)需選取密度小、強(qiáng)度高、耐高溫的材料滿足結(jié)構(gòu)防熱、輕質(zhì)及高剛度的要求。目前熱防護(hù)材料主要有：C/C復(fù)合材料、超高溫陶瓷、樹脂基復(fù)合材料、難熔金屬及金屬基復(fù)合材料。

1 熱防護(hù)系統(tǒng)和材料

1.1 C/C復(fù)合材料

C/C復(fù)合材料具有密度低、熱膨脹系數(shù)小、比強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，在高溫結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出極大的優(yōu)越性[2]。國內(nèi)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)采用C/C復(fù)合材料，表現(xiàn)出良好的抗燒蝕性能。但其在高溫環(huán)境中容易氧化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，提高抗氧化性是實(shí)現(xiàn)大量應(yīng)用的關(guān)鍵[3]。通過玻璃涂層、金屬涂層以及陶瓷涂層等實(shí)現(xiàn)與氧氣隔絕，工藝簡(jiǎn)單，制備成本低，但使用壽命較短;在基體中引入具有抗氧化性的碳化硅、氧化硅、硼化鋯等化合物有效提升抗氧化性，在高溫環(huán)境中可長(zhǎng)期安全使用。提高抗氧化性將成為C/C復(fù)合材料研究的關(guān)鍵。

1.2 超高溫陶瓷

超高溫陶瓷熔點(diǎn)、穩(wěn)定性好，大量應(yīng)用于高超聲速飛行器等結(jié)構(gòu)中[4]。目前常用的超高溫陶瓷主要由碳化硅、碳化鋯、硼化鉿、硼化鋯等難熔碳化物和硼化物組成。碳化物超高超溫陶瓷抗氧化性較差，通常采用增加另一相材料提高其抗氧化性。研究人員在碳化鉿中加入硅化鉬，可以有效抑制基體晶粒的增加，提高了材料燒結(jié)性能和抗氧化性[5];硼化物超高超溫陶瓷中有很強(qiáng)的共價(jià)鍵，因此具有熔點(diǎn)高，蒸發(fā)率低和導(dǎo)熱率高的特點(diǎn)，但硼化物超高溫陶瓷材料難以致密，可以通過提高反應(yīng)物的表面能、降低生成物的晶界能、提高材料的體擴(kuò)散率等方法提高致密性[6]。硼化物在高溫境中會(huì)生成氧化硼保護(hù)層，抗氧化效果較好，但隨著溫度升高，氧化硼蒸發(fā)，其抗氧化能力下降。研究表明，通過添加第二相化合物，使得材料表層形成高熔點(diǎn)玻璃相，阻止了氧氣向內(nèi)部擴(kuò)散，提高了材料的抗氧化性[7]。

1.3 樹脂基復(fù)合材料

樹脂基復(fù)合材料比強(qiáng)度高、耐高溫、耐疲勞，是目前發(fā)展較成熟的先進(jìn)復(fù)合材料[8]。樹脂基復(fù)合材料是由聚合物（有機(jī)硅、酚醛、聚芳?jí)K等）為基體，與增強(qiáng)纖維（玻璃纖維、碳纖維、石英纖維等）復(fù)合而成。其中增強(qiáng)纖維-酚醛基復(fù)合材料由于制作成本低，性能優(yōu)異，是目前研究最多應(yīng)用最廣的熱防護(hù)材料。研究人員制利用高硅氧布增強(qiáng)改性的酚醛樹脂，制備出具有良好隔熱、抗燒蝕的復(fù)合材料[9];同時(shí)針對(duì)酚醛耐熱性不足，通過引入芳環(huán)等其他元素等改性酚醛制備出具有優(yōu)異抗燒蝕性能的改性樹脂基復(fù)合材料。其研究應(yīng)用逐步向承載-燒蝕防熱-隱身等多功能材料發(fā)展。

1.4 難熔金屬及金屬基復(fù)合材料

難熔金屬及其合金作為熱防護(hù)材料具有耐高溫、韌性高、可塑性好等優(yōu)勢(shì)，其中應(yīng)用較多的有鎢、錸、鉬等。其中鎢具有很好的抗氧化性和抗燒蝕能力，并且可以通過添加銅、錸、氧化釷、碳化鉿等提高力學(xué)性能[10];錸具有很好的耐高溫、抗腐蝕、抗熱震性能，但高溫環(huán)境下抗氧化能力較差，限制其作為熱防護(hù)材料的應(yīng)用。研究表明錸與其它難熔金屬和陶瓷具有良好的相容性（如氧化釷、氧化鉿、碳化鋯等），可構(gòu)成復(fù)合材料使錸的強(qiáng)度和抗氧化性得到改善，這也是未來研究和發(fā)展的重要方向[11]。鉬作為熱防護(hù)材料與鎢、錸相比，密度低，成本小，且其化合物具有很好的抗氧化性能，具有很好的發(fā)展前景[12]。

2 結(jié)語

隨著高超聲速飛行的發(fā)展，對(duì)其熱防護(hù)材料提出了更高的要求。本文結(jié)合最新研究進(jìn)展對(duì)常用熱防護(hù)材料進(jìn)行總結(jié)：C/C復(fù)合材料是最具前景的熱防護(hù)復(fù)合材料，目前研究的關(guān)鍵在于提高其高溫下的抗氧化能力。超高溫陶瓷復(fù)合材料是主要有碳化物和硼化物超高溫陶瓷，通過微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高抗氧化性以及致密性，是未來的主要研究方向。樹脂基復(fù)合材料是發(fā)展較成熟的復(fù)合材料，通過對(duì)基體改性發(fā)展性能優(yōu)異的多功能材料，是研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。難熔金屬及金屬基復(fù)合材料的重點(diǎn)在于提高抗氧化能力，通過與其它難熔金屬或化合物復(fù)合，提高抗環(huán)境能力未來重要的發(fā)展方向。

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