近零膨脹材料在航空航天領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用

梁宇靜 沈亞斌（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn)333001）

熱脹冷縮是材料的本質(zhì)屬性，而材料的這種固有屬性可能會(huì)降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全可靠性，削弱甚至破壞材料的功能特性。如高超聲速飛行器表面熱防護(hù)系統(tǒng)的溫差會(huì)引發(fā)不同材料之間的熱變形不匹配，極易造成層間熱應(yīng)力失效；人造地球衛(wèi)星運(yùn)行中經(jīng)歷的晝夜溫差會(huì)引發(fā)熱應(yīng)力不匹配，造成結(jié)構(gòu)破壞；通信衛(wèi)星天線支架過大的熱變形會(huì)影響天線與地面之間正常通信。因此對(duì)材料的熱膨脹行為進(jìn)行調(diào)控、使材料在環(huán)境溫度變化時(shí)獲得近零膨脹的優(yōu)異性能具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

1 研究開發(fā)現(xiàn)狀

近零膨脹材料是指材料受到溫度變化產(chǎn)生較小的幾何尺寸變化，熱膨脹系數(shù)接近于零。目前材料實(shí)現(xiàn)近零膨脹性能的方法主要分為兩種：一是尋找自然界存在的近零膨脹材料；二是將具有不同熱膨脹系數(shù)的材料進(jìn)行復(fù)合，利用疊加效應(yīng)獲得近零膨脹性能。

1.1 近零膨脹均質(zhì)材料

熱脹冷縮是材料的本質(zhì)屬性，自然界絕大部分材料在溫度升高時(shí)幾何尺寸增大膨脹，只有少數(shù)一些陶瓷、氧化物、合金等具有反常的低、負(fù)膨脹系數(shù)。如磷酸鹽陶瓷材料具備較低的熱膨脹系數(shù)，可作為催化劑載體和航天技術(shù)中的涂層材料，但其熱膨脹性能呈各向異性，力學(xué)性能比較差；立方相硼酸鹽具有各向同性的近零膨脹性質(zhì)，能夠?qū)⑵鋺?yīng)用在低溫復(fù)雜環(huán)境的高精度光學(xué)儀器中；殷鋼具有較好的力學(xué)性能但僅在0-100攝氏度的范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)較低；固體材料的熱膨脹系數(shù)較低，但在大的溫度變化下，力學(xué)性能和耐久性較差。鑒于均質(zhì)材料在性能方面的不足，暫難同時(shí)滿足近零膨脹、輕質(zhì)、力學(xué)性能優(yōu)異的要求。

1.2 近零膨脹復(fù)合材料

復(fù)合材料因其比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性能好等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)近零膨脹性能的方式除通過調(diào)整鋪層方式、鋪層角度外，還可通過選擇熱膨脹系數(shù)不同的材料以及設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)形式來使結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)近零膨脹性能，滿足近零膨脹性能的復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)方式有如下幾種：拉伸主導(dǎo)型、彎曲主導(dǎo)型、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、泊松比效應(yīng)等。

拉伸主導(dǎo)型復(fù)合材料的設(shè)計(jì)主要是通過桿件的拉壓變形使結(jié)構(gòu)具有近零膨脹性能。Miller 最早提出了一種三角形點(diǎn)陣復(fù)合材料設(shè)計(jì)[1]，基于三角形斜邊伸長(zhǎng)能夠引起高度的變化，通過合理設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)形式和材料布局，使結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)近零膨脹。隨后Steeves 等人提出的平面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]，能夠使結(jié)構(gòu)多個(gè)方向在溫度變化下滿足低膨脹、高剛度的性能要求。通過合理設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)的形式和選取材料可以使結(jié)構(gòu)滿足近零膨脹性能要求。

彎曲主導(dǎo)型的設(shè)計(jì)主要是通過桿件的彎曲變形使結(jié)構(gòu)具有近零膨脹性能。Lakes最早提出彎曲主導(dǎo)型的二維和三維點(diǎn)陣復(fù)合材料設(shè)計(jì)[3,4]，通過合理選取材料和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的尺寸可以使結(jié)構(gòu)滿足零膨脹。隨后，Lehman等人對(duì)肋條的截面形式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]，給出能夠獲得最大剛度的截面形式。Zhang等人設(shè)計(jì)了局部加強(qiáng)的三角形超材料單胞[6]，能夠同時(shí)滿足零膨脹和高剛度要求，單胞間連接方式簡(jiǎn)單易制造。彎曲主導(dǎo)型復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)近零膨脹性能需要材料在交界面處完美結(jié)合，因此雙材料肋條不同材料之間的連接和肋條間的連接是實(shí)際制備中的難點(diǎn)。

除此之外，還可以利用拓?fù)鋬?yōu)化方法、泊松比效應(yīng)、多層級(jí)思想等多種方式使結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)近零膨脹。

2 應(yīng)用進(jìn)展

高超聲速飛行器在高速飛行時(shí)，氣動(dòng)熱在熱防護(hù)系統(tǒng)表面產(chǎn)生的溫差高達(dá)上千攝氏度，劇烈的溫度變化會(huì)引發(fā)不同材料之間的熱變形不匹配，因此表面熱防護(hù)系統(tǒng)必須能夠承受大的溫度變化并且能夠保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)滿足輕質(zhì)、高剛度、高強(qiáng)度要求。

Steeves 等人提出的能夠?qū)崿F(xiàn)熱膨脹系數(shù)可調(diào)控的平面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]，這種單胞設(shè)計(jì)能夠在溫度變化下滿足低膨脹、高剛度的性能要求，基于其設(shè)計(jì)的這種三角形平面點(diǎn)陣復(fù)合材料，隨后他們又將其應(yīng)用到高超聲速飛行器表面熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。Steeves等人給出了如圖1(a)所示的金屬三明治板熱防護(hù)系統(tǒng)[7]，由近零膨脹平面點(diǎn)陣復(fù)合材料、耐彎曲管、薄背板組成，縫隙中填充低密度陶瓷泡沫。外部的近零膨脹平面點(diǎn)陣復(fù)合材料可以使熱防護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)近零膨脹功能，耐彎曲管和平面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠保證系統(tǒng)的剛度要求，這種熱防護(hù)系統(tǒng)有效的減少了飛行器在高速飛行時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形。隨后，Steeves等人基于其設(shè)計(jì)的平面點(diǎn)陣復(fù)合材料又提出三明治熱防護(hù)系統(tǒng)[8]，如圖1(b)，該熱防護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)近零膨脹、承載、隔熱等功能，具有近零膨脹的熱防護(hù)系統(tǒng)能夠有效降低熱應(yīng)力。通過對(duì)三明治熱防護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化分析，給出該熱防護(hù)系統(tǒng)在滿足低熱膨脹系數(shù)條件下剛度、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)范圍。

圖1 熱防護(hù)系統(tǒng)

人造地球衛(wèi)星在空間軌道上運(yùn)行過程中，需經(jīng)歷太陽(yáng)直射面和地球陰影面，晝夜溫差大。而人造地球衛(wèi)星的很多交聯(lián)結(jié)構(gòu)是由多種材料組成，當(dāng)其服役于大的溫度變化環(huán)境中時(shí)往往會(huì)引發(fā)熱應(yīng)力不匹配，從而造成結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。Toropova等人提出了由兩種材料組成的具有各向異性的熱膨脹自適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[9]，如圖2所示，能夠消除熱應(yīng)力不匹配和與之伴隨的后果。這種熱膨脹自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的單胞是由三角形點(diǎn)陣復(fù)合材料組成，內(nèi)部為熱膨脹系數(shù)高的不等邊三角形，外部為熱膨脹系數(shù)低的不等邊六邊形，通過調(diào)整三角形或六邊形的傾斜角度可以調(diào)節(jié)單胞的熱膨脹系數(shù)。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求可以對(duì)單胞進(jìn)行設(shè)計(jì)，不同的單胞之間可進(jìn)行連接。通過對(duì)單胞進(jìn)行設(shè)計(jì)、單胞進(jìn)行連接、結(jié)構(gòu)與基底連接可以緩和結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力不匹配，滿足實(shí)際需要。

圖2 熱膨脹自適應(yīng)結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語(yǔ)

隨著航空航天領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)材料熱膨脹系數(shù)可調(diào)控方面的研究逐漸增多，針對(duì)近零膨脹材料的研究，從實(shí)現(xiàn)機(jī)理和應(yīng)用方面都取得了很大進(jìn)展。材料實(shí)現(xiàn)近零膨脹性能的方式從最初的均質(zhì)材料研究發(fā)展到通過多相復(fù)合材料設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，材料的性能也從滿足近零膨脹到兼具輕質(zhì)、高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等[10]。但這些研究主要還是集中在理論研究的基礎(chǔ)上，在理論研究的可行性與實(shí)際制備過程中還存在很多問題，尤其是材料研制及其制備工藝的可行性、材料的多功能一體化、制造加工成型技術(shù)等方面的還需更進(jìn)一步的開發(fā)和研究，將獲得綜合性強(qiáng)的復(fù)合材料由研究轉(zhuǎn)為應(yīng)用。