可焓變納米隔熱材料的數值模擬和試驗研究

肖 鵬，孫陳誠，吳文軍，李俊寧，王俊山

（航天材料及工藝研究所，北京，100076）

0 引 言

高超聲速飛行器工作在高溫高熱流環境中，防止超高溫破壞與阻止外部熱量向內部傳入是熱防護結構研制的關鍵問題。高焓變隔熱材料主要應用于高溫長時間隔熱領域，相比單一的隔熱方法，吸熱的可焓變材料的加入可以減緩隔熱材料自身的溫升，降低材料內部的傳熱溫差。高焓變材料熱分解及相變過程產生的汽化產物可以在隔熱材料內部逆溫度梯度傳輸，起到熱阻隔作用或防氧化作用，進一步降低由高溫環境向材料內部的熱量傳遞以及氧分子擴散，有望應用在高超聲速飛行器的隔熱組件中，作為低溫區熱防護材料。

納米隔熱材料內部空隙在幾納米到幾十納米之間，高焓值吸熱材料反應產生的熱解/汽化產物發生在納米尺寸約束的范圍內，同時產物在壓力驅動或熱驅動下通過納米空隙擴散。在此條件下，相變演化規律以及擴散機理均不同于常規毫米或微米尺度孔徑內的相應過程。由于孔隙尺寸與分子團簇尺寸更加接近，高焓值材料在納米微孔內相變所涉及的熱力學參數（溫度、壓力、焓、熵等）發生較大改變，已無法參照無約束下的宏觀熱力學數據。與此同時，相變產物在納米微孔內的傳熱/傳質過程所涉及的動力學參量也與宏觀狀態不同，需要可以精細描述產物分子在納米尺寸下輸運的準確模型。當相變與產物擴散過程同時進行時，擴散過程又反過來影響相變過程的產物分壓等熱力學環境參數，進而改變相變吸熱過程的反應狀態。……