輕質燒蝕防熱材料結構組成對燒蝕形貌的影響

梁 馨 方 洲 林治峰 喬 鵬 代曉偉

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 采用石英燈燒蝕試驗對研制的一種輕質燒蝕防熱材料在不同防熱結構下的燒蝕形貌和隔熱性能進行了研究。結果表明：不同的防熱結構形式，輕質燒蝕防熱材料的燒蝕形貌不同，防熱結構的縱向溫度梯度和面內溫度梯度均影響輕質防熱材料的燒蝕形貌，溫度梯度越小，熱量在材料表面積聚越嚴重，因此表面碳化特征越明顯。在不同材料的面內組合狀態下，輕質燒蝕防熱材料可實現與較高密度材料的匹配燒蝕，說明其燒蝕防熱效率較高。在防熱結構設計時，可綜合考慮其面密度和燒蝕形貌，合理利用防熱結構組成，實現高效防隔熱和輕量化設計。

0 引言

飛行器在高速飛行過程中，由于與大氣的相互作用，將產生溫度很高的氣動加熱，若無熱防護，則飛行器將會被高溫燒毀，因此防熱材料技術是保證飛行器內部溫度在一定范圍內的重要技術之一，從而保證其內部儀器設備等正常工作，實現其預定功能。由于飛行器的質量有一定限制，所以防熱材料及結構若能實現減重，則可提高飛行器的有效載荷，因此輕質燒蝕防熱材料是防熱材料發展的一個重要方向。燒蝕防熱材料的外部燒蝕溫度隨著氣動加熱不同而不同，而內部溫度隨用途不同而不同，如載人飛船，內部溫度不可超過人體承受范圍，如其他飛行器，則溫度不能超過設備運行的上限或防熱結構界面的使用上限溫度。因此防熱材料在厚度上存在一定的溫度梯度，該溫度梯度對輕質燒蝕防熱材料的燒蝕碳層形貌的影響研究可為防熱設計提供依據。

蜂窩增強防熱材料是防熱材料的一個重要分支，目前蜂窩增強輕質防熱材料是國內外應用最為廣泛的一種輕質防熱材料，具有相當高的可靠性和質量一致性。國外大部分空間探測器均采用這種類型的輕質防熱材料，包括近地軌道探測器和月地軌道探測器［1?5］，國內的神舟飛船返回艙［6］、嫦娥五號返回器［7］等也均采用了這類輕質防熱材料。該類防熱材料可調控手段及技術途徑較為廣泛，可實現較優的燒蝕防隔熱性能，具有廣闊的應用前景。本文主要針對蜂窩增強輕質防熱材料的結構組成對燒蝕形貌的影響進行相應研究。

1 實驗

1.1 原材料

輕質燒蝕防熱材料A（蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料）、密度約為0.5 g/cm3，自行研制；燒蝕防熱材料B（玻璃鋼燒蝕結構材料），密度約為1.0 g/cm3，自行研制；夾層材料C（玻璃鋼蜂窩夾層結構，厚度15 mm），自行研制；面板D（玻璃鋼面板，厚度2 mm），自行研制。

1.2 測試方法

1.2.1 不同防熱材料厚度對燒蝕形貌的影響

采用不同厚度材料A和C進行粘接組合，其中材料A的厚度分別為20、15、13 mm，采用石英燈試驗進行燒蝕考核（600 kW/m2，時間210 s），同時測量材料A 與C 的界面溫升和背面溫升（圖1），對比材料A 表面燒蝕形貌的不同。

圖1 材料A與材料C組合示意圖Fig.1 Schematic diagram of combination of material A and C

1.2.2 不同防熱結構對燒蝕形貌的影響

采用13 mm的材料A與D進行粘接組合，采用同樣的石英燈試驗進行燒蝕考核，測量材料A與D的界面溫升和背面溫升（圖2），對比材料A表面燒蝕形貌的不同。

圖2 材料A與材料D組合示意圖Fig.2 Schematic diagram of combination of material A and D

1.2.3 不同燒蝕材料面內組合對燒蝕形貌的影響

材料A 與B 進行面內組合，再與材料C 進行粘接組合（圖3），采用相同的石英燈燒蝕考核條件進行試驗，對比材料A的表面燒蝕形貌與單獨材料A與C組合的燒蝕形貌的不同。

圖3 材料A與材料B組合示意圖Fig.3 Schematic diagram of combination of material A and B

1.2.4 材料性能測試

采用GB/T1463—2005 對材料A、B 進行密度測試；采用GB/T10294—2008 和GB/T10295—2008 分別對材料A、B 進行熱導率測試；采用GJB330A—2000測量材料A、B的比熱容。

2 分析與討論

2.1 輕質防熱材料厚度對燒蝕形貌的影響

在石英燈燒蝕試驗考核狀態下，圖1所示的防熱結構的試驗結果如表1所示。

表1 不同材料厚度組合方式及溫度測量結果Tab.1 The combination of different material thickness and results of temperature

在相同的材料組合、不同燒蝕材料厚度的情況下，界面溫升及背面溫升隨時間的變化趨勢相同，如圖4所示。材料厚度越薄，界面溫升越大，背面溫升越大，這與材料燒蝕反應機理相吻合。在外界熱量作用的情況下，材料發生物理化學反應，一部分熱量被物理化學反應所消耗，另一部分熱量則由材料表面不斷向材料內部傳遞，材料內部溫度逐漸升高，距離加熱面越近，溫度越高，即材料A厚度越薄，溫升越大。

從圖4可見在材料厚度方向上，材料厚度對溫升的影響非常顯著，材料越薄，溫升越大，材料厚度相差2 mm（15 和13 mm）時，停車時界面溫升相差178.5 ℃，這與材料密度較低，隔熱性能較好有關。

圖4 不同材料厚度組合溫升曲線Fig.4 The elevated temperature curves of combination of different material thickness

圖5為不同材料厚度組合的防熱材料燒蝕形貌，隨著燒蝕材料厚度減少，界面溫升越高，材料表面燒蝕膨脹越少，以硅基材料裂解為主的產物特征越來越不明顯，當材料A 厚度為13 mm 時，出現了明顯的碳化現象，可見界面溫升越高，即防熱材料厚度方向上的溫度梯度越小，熱量向材料內部傳遞的動力越小，從而在表面積聚的趨勢越明顯，導致材料表面碳化程度越嚴重。

圖5 不同材料厚度組合的防熱材料燒蝕形貌Fig.5 The ablation morphologies of the ablation materials of different thickness

2.2 不同防熱結構對燒蝕形貌的影響

相同的燒蝕材料厚度，不同防熱結構的溫升變化如表2所示。當背面材料隔熱性能越好（如材料C）時，界面溫升越高，背面溫升越小，反之，背面材料隔熱性能越差（如材料D），界面溫升越小，背面溫升越高，如圖6所示。熱量從燒蝕材料表面傳向材料A內部，再通過界面傳至背面材料C或者D，C的隔熱性能好，則熱量繼續傳向背面的速度大大減慢，因此熱量積聚在界面處，導致背面溫升較低；而D的傳熱性能好，則熱量快速傳至背面，所以界面溫升小，背面溫升大。

表2 不同防熱結構組合及溫度測量結果Tab.2 The combination of different thermal protection structure and results of temperature

圖6 不同防熱結構組合溫升曲線Fig.6 The elevated temperature curves of combination of different combination of thermal protection structure

圖7為不同防熱結構組合的防熱材料燒蝕形貌，可見雖然3#的界面溫升高于4#，但隨著背面溫升的升高，4#材料A 呈現出典型的表面碳化特征，材料表面幾乎全部碳化（邊緣效應除外），結合表2數據，可知隨著背面溫升升高，輕質燒蝕材料的碳化現象越明顯，由此說明在界面處連接方式可承受界面溫度的情況下，防熱材料與背面材料可視為一個整體，縱向傳熱是在該整體結構上進行的，而非單一的防熱材料自身，防熱材料與背面材料組合而成的防熱結構是影響燒蝕材料表面形貌的一個因素。除此以外，其組合方式還影響了防熱結構的質量，從表2可知，3#面密度最小，同時其表面燒蝕形貌以碳化為主，碳層更加致密堅硬，在某些特定熱環境下，具有良好的隔熱、耐燒蝕和輕量化特征，可作為防熱結構設計的一個較好選擇。

圖7 不同防熱結構組合的防熱材料燒蝕形貌Fig.7 The ablation morphology of the different combination of thermal protection structure

2.3 不同材料面內組合對燒蝕形貌的影響

材料A 和B 的熱物理性能如表3所示，A 和B 是熱導率相差較大的兩種材料，將材料A和B進行面內組合，同時與C 材料組成防熱結構，采用同樣的石英燈燒蝕條件進行考核試驗，其燒蝕形貌如圖8所示。

表3 材料熱物理性能Tab.3 The thermophysical properties of material A and B

可見，材料A 的燒蝕形貌發生了明顯的碳化（與3#不同），由此說明在面內方向，兩種不同材料之間存在一定的熱量傳遞和重新分布。材料B 成分熱解組分相對較少，在燒蝕中的物理化學反應也相對較少，因此在相同的氣動加熱條件下，其表面溫度相對較高［8］，而材料A則由于復雜的化學反應使得表面溫度相對較低，因此A、B 材料在面內形成了溫度梯度。在此溫度梯度作用下，熱量從B 傳遞至A，使得A 的碳化趨勢更加明顯。在圖8中可見，雖然材料A 和B的密度差異較大，但二者在本試驗條件下，燒蝕后退一致，未出現宏觀的燒蝕臺階或燒蝕形貌不匹配，說明輕質防熱材料A 具有良好的燒蝕性能和隔熱性能，其防熱效率較高，在實際應用中有廣泛的前景。

圖8 5#防熱結構燒蝕前后形貌Fig.8 The morphologies of 5#combination of thermal protection structure before and after ablation

3 結論

（1）防熱結構的縱向溫度梯度和面內溫度梯度均影響輕質防熱材料的燒蝕形貌，溫度梯度越小，表面碳化特征越明顯。

（2）輕質燒蝕防熱材料可實現與較高密度材料的匹配燒蝕，其燒蝕防熱效率較高。

（3）合理考慮防熱結構組成，可實現有效的高效防隔熱和輕量化設計。