高輻射涂層對剛性隔熱瓦性能的影響

孫陳誠 何雅玲 王曉婷 周潔潔 胡子君

(1 航天材料及工藝研究所，先進功能復合材料科技重點實驗室，北京 100076)(2 西安交通大學，熱流科學與工程教育部重點實驗室，西安 710049)

0 引言

剛性隔熱瓦是長時間在大氣層內高速飛行的武器裝備大面積重要防護材料，具有密度低、隔熱效果好等優點。美國從20世紀80年代開始從事剛性隔熱材料的研究，至今發展了 LI、FRCI、HTP、AETB、BRI等系列［1－3］，相應的發展了 RCG 和 TUFI兩種涂層［4－5］，為美國航天飛機和高超聲速飛行器的發展發揮了重要作用。隨著新型飛行器的發展，我國也發展了剛性隔熱瓦材料，性能達到了美國第三代陶瓷瓦的水平。高輻射涂層是剛性隔熱瓦的關鍵技術之一，決定了材料表面強度和輻射特性。外表面涂層發射率越高，則再入時氣動加熱從外表面輻射到深空空間的熱量越多，表面平衡溫度越低，從而傳到防熱系統內部冷結構的熱量就越少。可見剛性隔熱瓦輻射涂層直接決定熱防護系統的先進性和飛行器安全，具有重要意義。本文研究了高輻射涂層對剛性隔熱瓦結構、力學性能、防水特性、輻射加熱試驗、風洞試驗和深空碎片沖擊試驗的影響規律。

1 實驗

1.1 涂層制備

將剛性隔熱瓦表面清理干凈，將涂層漿料噴涂到剛性隔熱瓦表面，進入烘箱100℃干燥，在高溫燒結爐進行1 100～1 200℃燒結，出爐冷卻制備出含高輻射涂層的剛性隔熱瓦材料。

1.2 性能測試

采用LEICA－S440掃描電鏡對涂層和基體微觀結構進行表征。采用型號為NANOVEA ST400三維非接觸式表面輪廓儀，按GB1031－83進行涂層表面粗糙度測試。按照GB/T7287－2008測量涂層的輻射系數。參考Q/Dq360.4－2000測試材料的彎曲強度。參考GB/T 1452－2005測試材料的拉伸強度。對厚度為20 mm有無涂層的兩種剛性隔熱瓦進行石英燈輻射加熱試驗，試驗熱流為250 kW/m2，試驗時間為1 800 s。對不含涂層和含涂層兩種剛性隔熱瓦進行電弧風洞試驗，試驗時間為246 s。對含涂層剛性隔熱瓦進行空間碎片試驗，撞擊速度5 km/s，撞擊角度0°，碎片材質為鋁，直徑 1 mm，厚度7.91 μm。

2 結果與討論

2.1 高輻射涂層對表面結構的影響

圖1為剛性隔熱瓦制備涂層前后的表面微觀結構，可見涂層覆蓋了剛性隔熱瓦表面約為40μm大小孔隙，在材料表面形成了致密的涂層結構。涂層增重僅為0.045 g/cm2，且滲進剛性隔熱瓦內部形成梯度結構，如圖2所示;宏觀尺寸測量表明沒有增加材料的厚度。而這種特殊的梯度結構增加了涂層與基材的結合強度，測試表明涂層與剛性隔熱瓦本體的結合強度大于本體的拉伸強度。含涂層的剛性隔熱瓦表面線粗糙度 Ra為 9.779μm，面粗糙度 Sa為11.702μm，圖3為表面粗糙度云圖，可見含高輻射涂層剛性隔熱瓦表面較為平整。

2.2 高輻射涂層對表面輻射特性的影響

剛性隔熱瓦為石英和氧化鋁纖維燒結而成的白色多孔材料，制備的高輻射涂層呈黑色。在測試波段3～14μm內，無涂層剛性隔熱瓦輻射系數為0.8左右，有涂層剛性隔熱瓦的輻射系數為0.85～0.87，輻射系數明顯增加，實際服役過程中直接決定了材料表面溫度和向材料內部傳遞的熱量，影響整個材料的隔熱效果。涂層由MoSi2(圖4)和玻璃料等組成，MoSi2熱輻射系數為0.96，彌散在涂層中，使得涂層具有較高的輻射系數。

2.3 高輻射涂層對力學性能的影響

有無涂層剛性隔熱瓦的彎曲強度和肖氏硬度測試結果見表1。涂層是一定厚度的梯度致密結構，具有較高的強度;而基體85%孔隙率，力學性能相對而言較低。而且測試彎曲強度時應力先作用于高強度涂層，試驗件彎曲變形小，待涂層破壞后基體再受應力直至整個試驗件破壞，從而表現出更高的彎曲強度，所以材料表面制備涂層后彎曲強度從6.46提高到 10.7 MPa。

硬度測試時撞銷落到材料表面回跳，撞銷撞擊無涂層剛性隔熱瓦時形成一定尺寸凹坑消耗掉部分能量，回跳高度低，硬度小。撞銷撞擊有涂層剛性隔熱瓦時由于涂層強度高形成的凹坑小，回跳高度高，硬度大，所以材料表面制備涂層后肖氏硬度從3.0提高到 8.7。

表1 有無涂層剛性隔熱瓦彎曲強度和肖氏硬度對比Tab.1 Comparison of flexural strength and shore hardness of rigid tiles without and with coating

剛性隔熱瓦使用時側面需要制備高輻射涂層，圖5是側面有無涂層時的拉伸應力和位移曲線，可見側面制備涂層后材料厚度方向的拉伸強度下降約50%。

結合側面有涂層剛性隔熱瓦應力－應變曲線進一步分析，拉伸試驗Ⅰ階段(圖6)，涂層和基體結合強度高，兩者一起變形，為彈性變形階段。當應力繼續增加時(Ⅱ階段)，由于涂層斷裂延伸率僅為0.1%量級，無法抵御變形必然先破壞。應力繼續增加，雖然基體斷裂延伸率高達2%不易破壞，但由于兩者較好的結合強度，裂縫會擴展到基體內部導致拉伸強度大幅度降低(Ⅲ階段)。

2.4 高輻射涂層對表面防水性能的影響

為了應對雨天等惡劣發射環境，剛性隔熱瓦表面需要具有一定防水能力。如前所述(圖1)，剛性隔熱瓦基體為孔徑40μm左右的多孔材料，水滴在表面會快速滲入剛性隔熱瓦基體內部。當制備高輻射涂層后，基體的孔被涂層填充，形成了較為光滑致密的表面，如圖7水滴在表面能較長時間停留。

2.5 高輻射涂層對輻射加熱隔熱效果的影響

輻射加熱試驗結果如圖8所示，輻射加熱功率一定，有涂層表面吸收系數大導致表面溫度高，剛性隔熱瓦有無涂層試驗平衡時的表面溫度分別是972.7℃和941.3℃，兩者相差31.4℃。有無涂層剛性隔熱瓦1 800 s試驗結束時背面溫度分別為681.4℃和558.8℃，兩者相差122.6℃。對于同質材料而言，高溫區溫差(31.4℃)小于低溫區溫差(122.6℃)，違背傳熱學基本原理。

圖9為利用材料物性參數采用ANSYS軟件模擬20 mm厚不含涂層剛性隔熱瓦正面972.7℃和941.3℃背面溫升結果，對于無涂層剛性隔熱瓦背面溫升曲線與試驗獲得的基本一致，說明計算方法基本正確。計算獲得的兩者溫差僅為31℃，遠小于試驗測試溫差122.6℃，可見高輻射涂層導致了材料的背面溫度變化“異常”。

結合圖10和剛性隔熱瓦微觀結構特點，假定不含涂層剛性隔熱瓦表面層固體占20%，即表面層有效熱源區域為樣件面積的20%;而含涂層的表面有效熱源為100%，導致了試驗過程中表面加熱層有效面積發生了本質變化，加之正面溫度不同，所以導致試驗獲得的背溫差122.6℃。

2.6 高輻射涂層對風洞考核隔熱效果的影響

有無涂層剛性隔熱瓦的輻射系數分別為0.85和0.8，在相同熱流條件下，輻射系數高，風洞考核過程中向外輻射的熱量越大，表面溫度越低，向內部傳遞傳熱就少，背面溫度上升的速率就慢，背面溫度就低。如圖11所示，因為熱電偶初始溫度有差異，起始階段兩條背溫曲線不重合。對于無涂層剛性隔熱瓦，從80 s左右背面溫度開始上升，而有涂層剛性隔熱瓦從120 s左右背面溫度開始上升，前者上升速度比后者快，兩者背面溫度差距越來越大，試驗250 s結束時背面溫度分別為72.45℃和42.79℃。

2.7 空間碎片沖擊

如圖12所示，由于涂層強度較高，高速碎片沒有對材料表面產生大的缺陷，僅為直徑約5 mm微小淺凹坑，由于基體內部豐富的孔隙抑制了裂縫的擴展，材料其余部分完整。

3 結論

(1)剛性隔熱瓦表面高輻射涂層為致密梯度結構，表面平整，輻射系數大于0.85，防水效果好。

(2)表面有高輻射涂層剛性隔熱瓦的彎曲強度和肖氏硬度都有較大幅度的提高。側面有高輻射涂層剛性隔熱瓦的拉伸強度因為涂層和基體的不匹配降低了近50%。

(3)高輻射涂層提高了表面黑度，吸收更多熱量使表面溫度升高，輻射加熱樣件背面溫度上升快。高輻射涂層將氣動加熱輻射掉一部分，降低表面溫度使風洞考核樣件具有更低的背面溫度。

(4)含高輻射涂層剛性隔熱瓦能經受典型空間碎片沖擊，未產生致命性的破壞。

［1］曾昭煥.航天飛機用剛性陶瓷瓦防熱材料發展概況［J］.宇航材料工藝，1989(2):12－20.

［2］CLELAND J，et al..Thermal Protection System of the Space Shuttle［D］.NASA Contractor Report 4227，1989.

［3］HENG，et al..Rigid Insulation and Method of Producing Same［P］.USPatent 6716782.

［4］ FLETCHER JAMES C.GHEL.Reaction cured glass and glass［P］.USPatent 4093771.

［5］STEWART D A.LEISER D B.Toughened uni－piece fibrous reinforous oxidization resistant composite［P］.US Patent 7314648.