陶瓷隔熱瓦的缺陷修補

王曉艷 胡子君 孫陳誠 周潔潔 張宏波

(航天材料及工藝研究所，先進功能復合材料技術重點實驗室，北京 100076)

陶瓷隔熱瓦的缺陷修補

王曉艷 胡子君 孫陳誠 周潔潔 張宏波

(航天材料及工藝研究所，先進功能復合材料技術重點實驗室，北京 100076)

文 摘 分別采用了MgO、YSZ和Al2O3三種陶瓷粉體和一種含隔熱瓦本體成分的粉料對陶瓷隔熱瓦缺陷進行修補。研究了修補前后材料的微觀形貌、力學及隔熱性能。結果表明：采用含隔熱瓦本體組成的粉料對陶瓷隔熱瓦進行修補，修補部位與本體部位相容性好，且微觀形貌相似，仍保持纖維搭接的多孔空間網絡結構；修補后試樣密度0.24 g/cm3、室溫熱導率0.044 W/(m·K)、壓縮強度0.58 MPa；1 200℃、30 min熱處理后，修補部位與本體部位結合性好，未出現裂紋、凹陷等缺陷，是有效的缺陷修補方法。

陶瓷隔熱瓦，修補，微觀結構，力學性能，隔熱性能

0 引言

高超聲速飛行器在大氣中快速、機動飛行，承受長時氣動加熱，為了保證飛行器主體結構和內部儀器設備在許可溫度范圍內工作，必須使用高效防隔熱材料對其進行熱防護，以阻止外部熱流向內部傳遞[1]。剛性陶瓷隔熱瓦以其良好的隔熱和力學性能，早在19世紀80年代就成功用作航天飛機的熱防護材料而備受矚目[2-4]。經過幾代的研制和改進，陶瓷材料在力學及隔熱性能方面都有了較大提高，目前仍是高超聲速飛行器熱防護的重要材料方案[5-7]。剛性陶瓷隔熱瓦的主要組分為陶瓷纖維，經過高溫燒結后，形成纖維搭接的多孔網絡結構，賦予陶瓷隔熱材料良好的力學和隔熱性能[8-9]。這種多孔網絡結構經受大面積擠壓或碰撞情況下不容易損壞，但是經歷尖銳物碰撞后容易形成劃痕、裂紋、凹坑和缺角等缺陷。2013年美國“哥倫比亞號”航天飛機失事的主要原因是其左翼前緣的隔熱材料受到發射過程中從燃料儲箱上脫落的泡沫隔熱板的撞擊而破壞，使得航天飛機在再入大氣層時，高溫氣體進入飛行器內部而引起災難性后果[10]。本文提出了一種陶瓷瓦的修補技術，主體思路是：不需要對隔熱材料進行拆卸、不需要對填充物進行高溫處理，不需要施加大外力，最終獲得修補材料與本體材料的性能相當的方法。主要的修補材料選取耐高溫的MgO、YSZ和Al2O3三種耐高溫的陶瓷粉體和一種含隔熱瓦本體組成的粉料，配合其它溶劑和室溫固化劑等，對隔熱瓦進行室溫修補。

1 實驗

1.1 原料

以石英纖維陶瓷隔熱瓦為修補基體，主要由石英纖維和黏接劑，經高溫燒結制備而成。修補材料主要由去離子水(自制)、磷酸二氫鋁、硅溶膠和耐高溫陶瓷粉體組成，其中陶瓷粉體包括MgO粉、8YSZ(8%氧化釔穩定氧化鋯粉)、Al2O3粉(均為市售)和陶瓷瓦本體組成的粉料(將陶瓷隔熱瓦磨碎粉化后得到)。

1.2 儀器設備

JD-2系列多功能電子分析天平(精度0.01 g)，沈陽龍騰電子有限公司；JJ-1大功率電動攪拌器，常州國華；步入式多用途干燥箱，深圳震昌；高溫燒結爐，洛陽安特利爾；APOLLO 300-INCA ENERGY 350/SCG620掃描電鏡，日本EKO；GMT4204電子萬能試驗機。

1.3 試樣制備

將4組修補材料機械攪拌混合成修補漿液，在陶瓷隔熱瓦上鉆出同等尺寸的圓柱狀的缺陷，將配置的4種修補漿液分別填充進去，室溫干燥，固化，再填充，干燥，固化，直至填充部位與本體部位基本持平，即獲得測試樣品。含MgO粉、YSZ(釔穩定氧化鋯)粉、Al2O3粉和陶瓷瓦本體組成的粉料的試樣分別定義為1#～4#。

1.4 測試表征

測量試樣的大小和質量，根據ρ=m/V得出試樣的密度，式中m為試樣的質量，V為試樣的體積；采用掃描電鏡觀察試樣的微觀形貌；根據熱流計法測試材料的室溫熱導率；根據GB/T 3856—2005測試試樣的壓縮強度。采用高溫燒結爐對材料進行1 200℃、30 min熱處理。

2 結果與討論

2.1 試樣修補前后的結構

圖1顯示了陶瓷瓦的空間網絡結構。

圖1 陶瓷瓦的SEM圖

在此基礎上對陶瓷瓦進行圓柱狀缺陷制造并進行修補。結果顯示，經過3次修補后，1#～3#仍可見收縮，修補面低于瓦本體面，繼續增加修補次數，發現經過6次修補后，1#～3#均顯示了修補部分與陶瓷瓦本體之間沒有明顯可見裂紋界限，二者相容性較好。進一步對1#～3#材料修補后的微觀結構進行分析、比較，其形貌見圖2。可見，1#～3#的修補部分均非完全致密結構，都呈現多孔形態，為了消除應力集中，在局部也會出現微小裂紋。但是相比瓦本體的纖維搭接網絡結構(孔隙尺寸集中在幾十微米),修補部分的孔隙尺寸(孔隙尺寸集中在納米量級)太小。

1#

2#

3#

4#采用陶瓷材料本體纖維粉體進行修補，得到的樣品宏觀照片和微觀形貌見圖3。

圖3 采用本體纖維粉體進行修補的樣品宏觀和SEM照片

可以看出：用4#修補，修補部位與本體材料的相容性較好，微觀結構顯示了修補部位與瓦本體相似的纖維搭接網絡結構，推測這種結構有利于保持材料較好的隔熱性能。區別在于，修補部位纖維之間基本無可見搭接點，而本體部位纖維之間搭接焊點明顯。

2.2 試樣修補前后的力學和隔熱性能

修補后試樣的力學和隔熱性能見表1。

表1 試樣修補前后的性能

可以看出：1#～3#試樣的密度和室溫熱導率均有所上升，分析是由于修補部位相對比較致密引起的；4#試樣的密度和熱導率基本沒有發生變化，因為成分和致密度與瓦本體非常相似。4組修補試樣的壓縮強度均有一定程度的下降。分析原因：1#～3#盡管材料密度有所增加，但是修補部位相對致密容易引起應力集中，4#盡管微觀結構與本體相似，但是由于修補部位未經歷高溫熱處理，導致纖維之間僅是簡單接觸，未形成搭接焊點，因此在受力情況下纖維之間不能承載傳力，導致材料強度下降。

進一步研究材料的耐高溫性能，對修補后的材料進行高溫熱處理，發現1#試樣收縮明顯，修補部位與本體完全脫離；2#試樣修補處產生明顯裂紋，修補部位有所收縮，高度略低于本體部位；3#試樣修補處產生微裂紋，修補部位略有收縮，高度基本與本體部位持平；4#試樣的修補部位與本體結合良好，沒有發生脫落、開裂等現象，如圖4中所示，說明修補部位與本體相容性較好，且二者的線脹系數相匹配，是一種有效的修補方法。

(a) 熱處理前

(b) 熱處理后

3 結論

采用了4種不同的修補配方，對陶瓷瓦缺陷部位進行室溫修補。微觀結構顯示1#～3#相對本體比較致密，4#與本體結構相似；修補材料與本體材料性能對比發現：修補試樣的密度為0.24～0.31 g/cm3，較本體有所增加；修補試樣的熱導率0.044～0.049 W/(m·K)，有一定的上升；修補試樣的壓縮強度0.58～0.83 MPa,呈現下降趨勢。進一步結合材料修補后的耐高溫性能，發現，1#～3#試樣均有不同程度的收縮，在修補部位和本體之間產生裂紋；4#試樣修補部位與本體部位結合性好，未出現裂紋、凹陷等缺陷，是最有效的修補方法。

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[4] TRAN H,JOHNSON C,RASKY D,et al.Silicone impregnated reusable ceramic ablators for mars follow-on missions[C].31stAIAA Thermalphysics Conference，AIAA-1996-1819.

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[10] 謝宗蕻,孫俊峰.高超聲速飛行器翼面前緣半主動金屬熱防護系統設計與分析[J].航天器環境工程,2013,30(1):1-7.

Defects Repair for Ceramic Insulation Tiles

WANG Xiaoyan HU Zijun SUN Chencheng ZHOU Jiejie ZHANG Hongbo

(Science and Technology on Advanced Functional Composites Laboratory, Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076)

Ceramic insulation tiles with defects were repaired by introducing high-temperature ceramic powders, such as MgO, YSZ, Al2O3and tile matrix powders. The microstructure, mechanical property and thermal insulation properties of tile before and after repair were systematically investigated. The results show that the powder containing tile matrix powders is the best method to repair the ceramic insulation tile. The part of the complement has good compatibility with the body, and the micro morphology is similar to remain porous network structure. After repairing, the density, thermal conductivity at room temperature and compressive strength of the samples are 0.24 g/cm3, 0.044 W/(m·K) and 0.58 MPa, respectively. After 1 200℃ and 30 min heat treatment, the complement and the tile body have good bonding,cracks,depressions and other defects free.

Ceramic insulation tile,Repair,Microstructure,Mechanical properties,Thermal insulation properties

2017-01-13；

2017-02-13

王曉艷，1979年出生，博士，高級工程師，主要從事防/隔熱材料研究工作。E-mail:wxydnwpu@163.com

TB332

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.03.020