我國(guó)航天器熱防護(hù)材料發(fā)展現(xiàn)狀之專(zhuān)利分析

謝昕 楊欣

20世紀(jì)50年代，我國(guó)的航天事業(yè)開(kāi)始起步。我國(guó)于1970年4月24日發(fā)射了新中國(guó)成立以來(lái)的第一顆人造地球衛(wèi)星，成為繼蘇聯(lián)、美國(guó)、法國(guó)、日本之后世界上第5個(gè)獨(dú)立發(fā)射人造衛(wèi)星的國(guó)家，從此開(kāi)啟了航天大國(guó)夢(mèng)。隨著1999年“神州一號(hào)”的發(fā)射升空，到2003年“神州五號(hào)”載人航天飛船的成果發(fā)射和安全返航，再到2020年“嫦娥五號(hào)”奔月取土，安全返回地球，我國(guó)的航天科技取得了一個(gè)又一個(gè)輝煌成績(jī)。與此同時(shí)，返回艙、運(yùn)載器的熱防護(hù)性能也成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，而防熱隔熱材料是飛行器最重要的關(guān)鍵材料之一。

載人飛船的返回艙、嫦娥五號(hào)的運(yùn)載器等，在進(jìn)入大氣層時(shí)，由于飛行器飛行速度非常之快，在與大氣層之間的摩擦過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致飛行器表面產(chǎn)生嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱，發(fā)生熱損傷；同時(shí)，熱防護(hù)結(jié)構(gòu)作為返回艙3%～50%的質(zhì)量來(lái)源，其熱效率對(duì)于航天器的整體性能也會(huì)產(chǎn)生極為重要的影響[1]。因而，航天器的熱防護(hù)材料，特別是載人航天器的防熱材料對(duì)于實(shí)現(xiàn)載人航天有著關(guān)鍵影響，安全、耐高溫、輕質(zhì)等性能是熱防護(hù)材料所追求的目標(biāo)。本文以專(zhuān)利分析的方法，對(duì)中國(guó)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的起步、發(fā)展過(guò)程、申請(qǐng)人分布等方面進(jìn)行分析。

1 申請(qǐng)情況整體分析

本文選擇中國(guó)專(zhuān)利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)（CNABS）為檢索基礎(chǔ)，通過(guò)分類(lèi)號(hào)、關(guān)鍵詞的組合檢索，獲得相關(guān)的航天器熱防護(hù)材料領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)870篇（檢索年至2021年2月5日已公開(kāi)的專(zhuān)利申請(qǐng)），由于2021年申請(qǐng)數(shù)據(jù)不完整，因而2021年的申請(qǐng)數(shù)據(jù)不計(jì)入此次專(zhuān)利申請(qǐng)量的分析中。航天器熱防護(hù)材料的專(zhuān)利申請(qǐng)量的總體趨勢(shì)分步見(jiàn)表1。

通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn)，航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)量普遍符合逐年遞增的趨勢(shì)，在2005年前專(zhuān)利申請(qǐng)量極少，屬于個(gè)位數(shù)的存在，于2011年開(kāi)始國(guó)內(nèi)關(guān)于航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)量迅速增長(zhǎng)，到了2016年后出現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)企業(yè)高校的年申請(qǐng)總量達(dá)到了100件以上，特別是2019年國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量達(dá)到了114件，表1中顯示2020年航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的申請(qǐng)量為83件，與2019年的申請(qǐng)量相比，比例明顯偏低，造成上述數(shù)據(jù)的原因是截至是檢索日（2021年2月5日），存在部分申請(qǐng)未滿(mǎn)18個(gè)月還未公開(kāi)。國(guó)內(nèi)關(guān)于航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)量迅速增長(zhǎng)與中國(guó)的經(jīng)濟(jì)、科技的騰飛和對(duì)航天事業(yè)的重視是密不可分，國(guó)內(nèi)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)量的便體現(xiàn)出了我國(guó)自建國(guó)以來(lái)從一窮二白到經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、文化的全面騰飛的進(jìn)程。對(duì)于國(guó)外的航天器熱防護(hù)材料技術(shù)在中國(guó)的申請(qǐng)量比例比較少的原因在于，航空航天技術(shù)屬于各國(guó)機(jī)密技術(shù)，因而在他國(guó)進(jìn)行大量的申請(qǐng)和公開(kāi)的情況比較少見(jiàn)。

2000年以后，隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，飛行器飛行的馬赫數(shù)的不斷提升，航天航空飛行器所需要承受溫度和熱沖擊也隨之越來(lái)越高。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2006年8月2日提交了專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為CN1908066A[2]的專(zhuān)利申請(qǐng)，公開(kāi)了一種以石英纖維和硅樹(shù)脂為主體的復(fù)合材料及其制備方法。通過(guò)對(duì)石英纖維表面進(jìn)行380～420℃、氮?dú)猸h(huán)境中停留8～12min的預(yù)處理，而后將表面預(yù)處理的石英纖維浸膠獲得涂覆聚苯并雙噁唑的石英纖維，最終將涂覆聚苯并雙噁唑的石英纖維于硅樹(shù)脂混合模壓獲得硅樹(shù)脂與涂覆聚苯并雙噁唑的石英纖維復(fù)合材料。該方法很好地解決了由于石英纖維表面和硅樹(shù)脂中均含有較多的羥基，因此在高溫條件下，石英纖維與硅樹(shù)脂復(fù)合材料的界面處羥基間會(huì)發(fā)生縮合反應(yīng)，脫水，導(dǎo)致石英纖維的增強(qiáng)效果下降的問(wèn)題。2019年10月23日，中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院與航天材料及工藝研究所共同申請(qǐng)了公開(kāi)號(hào)為CN110804274A[3]的專(zhuān)利申請(qǐng)，公開(kāi)了一種基于間隔結(jié)構(gòu)織物增強(qiáng)體的輕質(zhì)防隔熱復(fù)合材料及其制備方法，復(fù)合材料中包括增強(qiáng)體和基體。該防隔熱擦了具有類(lèi)似于面—芯功能的梯度結(jié)構(gòu)，即面層為致密材料主要提供防熱燒蝕和承載能力，中芯為多孔材料主要起到降低密度和隔熱的作用，實(shí)現(xiàn)了隔防熱一體，導(dǎo)熱率低、抗彎曲強(qiáng)度高的特點(diǎn)?？梢?jiàn)，隨著時(shí)間的推移，國(guó)內(nèi)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的研究和專(zhuān)利申請(qǐng)向著多元化材料配合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料改進(jìn)等不斷的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。

2 申請(qǐng)人分布和主要申請(qǐng)人

圖1為我國(guó)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的申請(qǐng)人的屬性分布，由圖1可知，企業(yè)和個(gè)人類(lèi)申請(qǐng)人總體占比為8%，不足10%，院校類(lèi)申請(qǐng)人占比52%，航天科研院所申請(qǐng)人占比40%，可見(jiàn)，就我國(guó)該領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)而言，高等院校類(lèi)申請(qǐng)人和航天科研院所類(lèi)申請(qǐng)人占據(jù)了主導(dǎo)地位，是申請(qǐng)的主體，由于行業(yè)的特殊性，對(duì)于科研經(jīng)費(fèi)和科研人員的素質(zhì)提出了較高的要求，從而導(dǎo)致企業(yè)和個(gè)人很難對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行探索，為航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的進(jìn)步貢獻(xiàn)力量；隨著科研企業(yè)的資金和科研實(shí)力的不斷壯大，中華民族為中華民族偉大復(fù)興的不斷努力，相信未來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的商業(yè)企業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域，為航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的發(fā)展和研究做出巨大的貢獻(xiàn)。

圖1還列出了我國(guó)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)主要的申請(qǐng)人，院校類(lèi)申請(qǐng)人排名前3位的分別為哈爾濱工業(yè)大學(xué)（56件）、中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)（39件）以及西北工業(yè)大學(xué)（26件），分別在院校類(lèi)申請(qǐng)人申請(qǐng)量占比12.3%、8.6%和5.7%；航天科研院所類(lèi)申請(qǐng)人排名前3位的分別為中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究所（73件）、航天特種材料及工藝技術(shù)研究所（47件）和航天材料及工藝研究所（32件），分別在航體科研院所類(lèi)申請(qǐng)人申請(qǐng)量占比21.4%、13.8%和9.4%。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)在我國(guó)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的研究是起步比較早的，在蜂窩增強(qiáng)人防護(hù)材料、C/C復(fù)合材料的改性、高溫復(fù)合陶瓷改性等方面均有涉及和建樹(shù)。CN101927585[4]公開(kāi)了一種用于熱防護(hù)系統(tǒng)的金屬蜂窩結(jié)構(gòu)與陶瓷結(jié)合的蓋板，蓋板包括蜂窩體、上層板、下層板和陶瓷板，蜂窩體、上層板和下層板的材料均為鎳（Ni）基高溫合金、鐵（Fe）基高溫合金、Ni-Fe基高溫合金、鈷（Co）基高溫合金或Nb基高溫合金，陶瓷板的材料為二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（Al2O3）纖維增強(qiáng)材料或Al2O3復(fù)合材料。通過(guò)一體化使的設(shè)計(jì)，整個(gè)結(jié)構(gòu)和熱防護(hù)系統(tǒng)總重量降低了10%～15%，且同時(shí)克服了陶瓷防熱瓦隔熱性能好但存在質(zhì)脆、易脫落變形等確定，金屬熱防系統(tǒng)可靠性高但熱膨脹系數(shù)大的問(wèn)題。CN106946579A[5]公開(kāi)一種耐1 500℃的輕質(zhì)剛性陶瓷纖維隔熱瓦的制備方法，采用一定比例的紅外遮光劑氧化鋯、粘結(jié)劑蔗糖和燒結(jié)劑氮化硼進(jìn)行混合，得到的混合粉體與乙醇溶液進(jìn)行混合，而后將陶瓷纖維溶液與粉料溶液混合得到纖維漿料溶液，將纖維漿料溶液倒入不銹鋼模具中通過(guò)真空干燥得到陶瓷隔熱瓦干坯，將硅源和碳源作為前驅(qū)體，乙醇和蒸餾水為共溶劑，采用酸/堿二步催化發(fā)制備硅—碳—氧（Si-C-O）凝膠，使Si-C-O凝膠包覆于陶瓷隔熱瓦干坯的陶瓷纖維表面，通過(guò)真空干燥處理獲得凝膠陶瓷瓦干坯，最后進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)獲得輕質(zhì)剛性陶瓷纖維隔熱瓦。所獲得輕質(zhì)剛性陶瓷纖維隔熱瓦性能與美國(guó)航天飛機(jī)上使用的BRI陶瓷瓦相近。CN102795873A[6]的專(zhuān)利公開(kāi)一種石墨烯/聚合物涂層界面改性碳/碳復(fù)合材料的方法，首先材料強(qiáng)酸、含鉀強(qiáng)氧化劑、雙氧水對(duì)石墨進(jìn)行氧化，通過(guò)冷凍干燥獲得氧化石墨粉體，加入相關(guān)溶劑、超聲、離心提純最終獲得高純度的石墨烯，將石墨烯與聚合物涂層作用獲得石墨烯/聚合物涂層溶液，而后將石墨烯/聚合物涂層溶液涂覆于碳纖維表面，碳化處理，即獲得石墨烯/聚合物涂層界面改性碳/碳復(fù)合材料。通過(guò)火焰溫度大于2 000℃的氧乙炔焰燒蝕實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)石墨烯/聚合物涂層界面改性碳/碳復(fù)合材料與未處理的碳/碳復(fù)合材料的抗燒蝕率提高了40%以上。

航天特種材料及工藝技術(shù)研究所的CN111285699 A[7]公開(kāi)了一種輕質(zhì)可重復(fù)使用的防隔熱材料及其制備方法，并公開(kāi)了制備流程（如圖2）。

其中，燒蝕復(fù)合材料由以質(zhì)量百分比計(jì)為19.9%～99.8%的燒蝕樹(shù)脂、0.1%～10%的凝膠固化劑和0.1%～80%的燒蝕填料組成；所述燒蝕樹(shù)脂選自由硼酚醛樹(shù)脂、鋇酚醛樹(shù)脂和高殘?zhí)糠尤?shù)脂組成的組；所述凝膠固化劑選自由六次甲基四胺、苯胺、三聚氰胺、對(duì)甲苯磺酸、對(duì)甲苯磺酰氯和石油磺酸組成的組；和/或所述燒蝕填料為有機(jī)硅樹(shù)脂，所述有機(jī)硅樹(shù)脂選自由甲基硅樹(shù)脂、乙基硅樹(shù)脂、甲基乙基硅樹(shù)脂、甲基苯基硅樹(shù)脂和低聚倍半硅氧烷組成的組。所述陶瓷基體復(fù)合在所述上纖維預(yù)制體層和所述下纖維預(yù)制體層中；所述陶瓷基體選自由氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、莫來(lái)石、碳化硅、碳化硼（B4C）、氮化硼（B4N）和氧二硼（B2O3）組成的組。通過(guò)實(shí)驗(yàn)顯示，該輕質(zhì)可重復(fù)使用的防隔熱材料重復(fù)使用10次后，線燒蝕為0.32mm，拉伸強(qiáng)度仍可達(dá)到43.1Mpa。

通過(guò)對(duì)我國(guó)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的申請(qǐng)人及其技術(shù)的研究可知，我國(guó)的航天器熱防護(hù)材料技術(shù)發(fā)展極快，航天研究院所和老牌工業(yè)高校是航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的主力軍，對(duì)于航天器熱防護(hù)材料種類(lèi)的研究具有覆蓋面廣，其研究具有傳承性的特點(diǎn)。

3 我國(guó)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)專(zhuān)利發(fā)展的建議

通過(guò)對(duì)我國(guó)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的專(zhuān)利分析可知，該領(lǐng)域的主要研發(fā)力量還是集中在科研院所和高校，所涉及的相關(guān)企業(yè)少之又少，航天器熱防護(hù)材料也主要存在于軍用，而并未民用化。但是我國(guó)的很多企業(yè)不僅具有一定的科研實(shí)力和雄厚資金支持，還具有對(duì)市場(chǎng)變化很強(qiáng)的洞察能力，如果企業(yè)能夠?qū)Ω咝？蒲性核M(jìn)行資金扶持，并給出關(guān)于市場(chǎng)變化和未來(lái)發(fā)展的預(yù)期，勢(shì)必會(huì)大大提高現(xiàn)有的研發(fā)水準(zhǔn)，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的進(jìn)步。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)雖然較美國(guó)、蘇聯(lián)、日本等國(guó)家起步晚，不過(guò)目前我國(guó)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的發(fā)展較快，但是適應(yīng)于我國(guó)航天技術(shù)發(fā)展和需求的航天器熱防護(hù)材料技術(shù)仍有較大進(jìn)步空間。通過(guò)對(duì)我國(guó)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的專(zhuān)利技術(shù)的分析，明確了現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展和發(fā)展過(guò)程中存在的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，同時(shí)也為我國(guó)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的發(fā)指出了方向。制備獲得質(zhì)量更輕的、耐熱能力更強(qiáng)的、剛性更大的航天器熱防護(hù)材料是未來(lái)所需。在我國(guó)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、技術(shù)轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo)下，我國(guó)航天器熱防護(hù)材料技術(shù)的發(fā)展會(huì)愈加完善，中國(guó)的航天事業(yè)的發(fā)展會(huì)愈來(lái)愈好，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.03.006

致謝：第二作者對(duì)本文的貢獻(xiàn)等同于第一作者。

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