面向一體化熱防護(hù)的陶瓷基復(fù)合材料輕量化結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)

張 路，袁 芳，王文清，董星杰，何汝杰,3*

(1 北京理工大學(xué) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院，北京 100081；2 航天材料及工藝研究所，北京 100076; 3 輕量化多功能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

以高超聲速、高機(jī)動(dòng)性、遠(yuǎn)距離精確打擊為主要技術(shù)特征的高超聲速飛行器已成為各國(guó)航空航天領(lǐng)域競(jìng)相發(fā)展的方向[1-2]。高超聲速飛行器可重復(fù)使用、長(zhǎng)時(shí)間、高馬赫數(shù)飛行的服役特征對(duì)飛行器關(guān)鍵部位的熱防護(hù)材料與結(jié)構(gòu)提出了嚴(yán)峻的要求，熱防護(hù)材料與結(jié)構(gòu)的可靠性成為影響飛行任務(wù)成敗的關(guān)鍵，是研制和保障高超聲速飛行器在極端環(huán)境安全服役的關(guān)鍵技術(shù)之一[3-4]。一方面，高超聲速飛行器必須采用耐高溫的熱防護(hù)材料體系[1,5]；另一方面，飛行器的關(guān)鍵熱防護(hù)結(jié)構(gòu)還必須在滿(mǎn)足承載要求的同時(shí)具有輕量化特性，因此非常有必要采用輕質(zhì)的熱防護(hù)材料[6-7]或者輕量化的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)形式[8-10]。

當(dāng)前，面向高超聲速飛行器的新型熱防護(hù)材料與結(jié)構(gòu)取得了較大進(jìn)展。然而，仍較少有研究能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)兼具耐高溫、輕量化、承載特性的一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)(integrated thermal protection structure，ITPS)，從而成為制約新型高超聲速飛行器研發(fā)的關(guān)鍵瓶頸之一[1,8]。因此，拓展現(xiàn)有熱防護(hù)結(jié)構(gòu)形式，探索發(fā)展同時(shí)滿(mǎn)足耐高溫與輕量化承載要求的新型熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，已成為下一代高超聲速飛行器技術(shù)發(fā)展的迫切需求與關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

針對(duì)一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的重要性，本文詳細(xì)綜述了輕質(zhì)熱防護(hù)材料與輕量化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)、陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制造方法、力學(xué)行為和傳熱行為等方面的研究進(jìn)展，介紹了現(xiàn)階段基于陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的研究成果，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)及面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

1 輕質(zhì)熱防護(hù)材料與輕量化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)

1.1 輕質(zhì)熱防護(hù)材料

針對(duì)高超聲速飛行器可重復(fù)使用、長(zhǎng)時(shí)間、高馬赫數(shù)飛行的服役特征，剛性陶瓷隔熱瓦材料、柔性隔熱氈材料、整體增韌抗氧化復(fù)合材料、難熔金屬及其合金、超高溫陶瓷及其復(fù)合材料、C/C復(fù)合材料、C/SiC陶瓷基復(fù)合材料、SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料等在內(nèi)的可重復(fù)使用熱防護(hù)材料近幾十年得到了長(zhǎng)足發(fā)展與進(jìn)步[11-13]。其中，金屬熱防護(hù)材料具有高強(qiáng)度與韌性，在沖擊下不易發(fā)生破壞，極易加工成各種形狀，但其使用溫度一般不超過(guò)1000 ℃，難以在苛刻的高超聲速飛行環(huán)境下使用[14]。石英纖維編織的剛性陶瓷瓦材料耐溫性略高于金屬材料，但其使用溫度一般仍難超過(guò)1200 ℃，很難達(dá)到新型超高聲速空天飛行器使用要求[15]。柔性隔熱氈材料、整體增韌抗氧化復(fù)合材料等也同樣難以達(dá)到新型超高聲速空天飛行器對(duì)熱防護(hù)材料服役溫度的苛刻需求[15]，亟須發(fā)展與應(yīng)用超高溫的熱防護(hù)材料[16-17]。而以C/SiC復(fù)合材料、SiC/SiC復(fù)合材料為代表的陶瓷基復(fù)合材料不僅具有較高的耐溫特性(1000～1600 ℃)，還同時(shí)具有較高的比強(qiáng)度特征(120～160 MPa·g-1·cm3)[18]，因此成為未來(lái)高超聲速飛行器輕質(zhì)承載熱防護(hù)材料的主要材料體系。

1.2 輕量化結(jié)構(gòu)

目前，輕量化結(jié)構(gòu)的主要形式包括無(wú)序輕量化結(jié)構(gòu)、有序輕量化結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)，其中有序的輕量化結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的設(shè)計(jì)性與應(yīng)用性，更有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也更適合于工程應(yīng)用[19-20]。在眾多二維和三維輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中，研究者[21-22]系統(tǒng)對(duì)比了樹(shù)脂基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)壓縮強(qiáng)度、壓縮楊氏模量與結(jié)構(gòu)密度之間的Ashby關(guān)系，發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有更高的比強(qiáng)度和應(yīng)用價(jià)值。因此，輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)近年來(lái)得到了國(guó)內(nèi)外眾多科研工作者與工程專(zhuān)家的大量關(guān)注與研究。輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)主要由上面板(top facesheet)、下面板(down facesheet)和中間的芯子(core)三部分組成(如圖1所示)。輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)根據(jù)芯子的不同可以分為波紋結(jié)構(gòu)和全三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等。其中波紋結(jié)構(gòu)和全三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)由于其芯子分布規(guī)律簡(jiǎn)單，制備難度低，成為最受關(guān)注與最具有應(yīng)用前景的輕量化結(jié)構(gòu)形式。

圖1 輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of lightweight lattice structures

近年來(lái)，基于金屬材料、樹(shù)脂基復(fù)合材料的輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)已逐漸在航空航天、航海及民用領(lǐng)域得到應(yīng)用，包括應(yīng)用于航天器輕量化筒體結(jié)構(gòu)、輕量化燃料艙、輕量化機(jī)身，艦船輕量化上層建筑，輕量化橋梁，高鐵輕量化車(chē)身等。然而，目前的輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用仍存在較多瓶頸，即材料多采用制備簡(jiǎn)單、容易加工的金屬材料和樹(shù)脂基復(fù)合材料，導(dǎo)致輕量化結(jié)構(gòu)耐溫性能有限、抗氧化性能差、耐腐蝕性能差，無(wú)法在高溫環(huán)境中使用。而由于陶瓷材料存在制備溫度高、不易加工等問(wèn)題，很難制得形狀復(fù)雜的陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。因此基于陶瓷及其復(fù)合材料的輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)研究仍較少且不系統(tǒng)。

1.3 耐高溫輕量化承載一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)展思路

現(xiàn)有高超聲速飛行器的傳統(tǒng)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)是一種典型的“三明治”結(jié)構(gòu)，普遍面臨防熱材料隔熱性能差、隔熱材料承載能力有限、防/隔熱與承載不協(xié)同等不足與挑戰(zhàn)[23-24]。美國(guó)NASA提出了一種新型的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，如圖2(a)所示。該新型熱防護(hù)結(jié)構(gòu)是一種基于輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)[23-24]，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)整體承載，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)芯子與芯子孔隙中填充的氣凝膠等隔熱材料承擔(dān)隔熱功能，有效集成了輕量化、承載、防熱、隔熱等功能于一體，為一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了嶄新的思路。基于此一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，美國(guó)NASA在2010年報(bào)道了一種基于金屬波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的新型一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示[25-26]，該一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)在輕量化、承載、防熱、隔熱一體化方面具有良好的效果。西北工業(yè)大學(xué)時(shí)圣波等[27]也基于石英纖維增強(qiáng)酚醛復(fù)合材料發(fā)展了一種新型全復(fù)合材料波紋夾芯一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)(如圖2(c)所示)，實(shí)現(xiàn)了輕量化、耐高溫、防熱、隔熱一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)。然而，必須指出的是上述方案采用的是金屬材料或樹(shù)脂基復(fù)合材料，其耐溫性能有限，難以滿(mǎn)足超高溫環(huán)境下的熱防護(hù)需求。但是該設(shè)計(jì)思路為耐超高溫的一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了借鑒與參考。

圖2 傳統(tǒng)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)(a)新型一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)[25]；(b)基于金屬波紋結(jié)構(gòu)的新型一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)[26]；(c)基于石英/酚醛復(fù)合材料波紋結(jié)構(gòu)的新型一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)[27]Fig.2 Conventional thermal protection construction(a)integrated thermal protection structure[25]；(b)novel ITPS based on metallic corrugated-core structure[26]；(c)novel ITPS based on quartz/phenolic composite corrugated-core structure[27]

目前，基于陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、制備技術(shù)以及力學(xué)承載特性、防隔熱特性與傳熱行為等基礎(chǔ)方向仍亟須攻關(guān)解決。下文將主要針對(duì)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料，分別從C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化結(jié)構(gòu)制造技術(shù)、力學(xué)行為、傳熱行為，以及基于陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面介紹相關(guān)研究進(jìn)展。最后對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展方向與挑戰(zhàn)進(jìn)行總結(jié)與展望。

2 陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制造方法

2.1 預(yù)制體陶瓷化法

陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)更有工程前景的制備方法是采用預(yù)制體陶瓷化法。分為兩個(gè)階段：首先通過(guò)特定工藝制備樹(shù)脂基復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)預(yù)制體，再經(jīng)炭化與陶瓷化后獲得陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。德國(guó)宇航中心(DLR)Koch團(tuán)隊(duì)[28-29]首先制備了樹(shù)脂基復(fù)合材料，經(jīng)真空炭化后獲得C-C復(fù)合材料平板，再通過(guò)切割成特定形狀后形成面板、芯子，連接后形成C-C復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)預(yù)制體，制備流程如圖3(a)所示。再將所得到的C-C復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)預(yù)制體放入熔融硅(Si)中，形成碳化硅(SiC)基體，最終得到C-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

圖3 陶瓷基復(fù)合材料輕量化結(jié)構(gòu)制造流程(a)C-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制備中的預(yù)制體制造流程[28]；(b)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制備流程[30]；(c)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料波紋板點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制備流程[31]Fig.3 Preparation process for lightweight ceramic matrix composite structures(a)preform manufacture for C-C/SiC CMC lattice structure[28]；(b)schematic diagram of the preparation process for C/SiC pyramid lattice structure[30]；(c)schematic diagram of the preparation process for C/SiC corrugated core sandwich panel structure [31]

哈爾濱理工大學(xué)曾濤等[30]采用金屬模具結(jié)合編織的方法制備了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，具體制備流程如圖3(b)所示，首先加工了金屬模具，再通過(guò)碳纖維穿插形成四棱錐芯子結(jié)構(gòu)，然后采用碳纖維布浸漬聚碳硅烷后充當(dāng)上下面板。隨后固化后制備了復(fù)合材料預(yù)制體，脫模后經(jīng)過(guò)真空裂解炭化，再經(jīng)過(guò)9～12輪聚碳硅烷陶瓷前驅(qū)體浸漬-裂解(PIP)工藝，獲得了最終的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。曾濤課題組[31]還采用類(lèi)似方法制備了不同構(gòu)型尺寸的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料波紋板點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。C/SiC陶瓷基復(fù)合材料波紋板點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的詳細(xì)制備流程如圖3(c)所示，分別包括了下面板模具鋪放、芯子模具鋪放、波紋芯子鋪放、上面板模具鋪放、模具整體組裝以及脫模過(guò)程。

此外，北京理工大學(xué)何汝杰團(tuán)隊(duì)[32-33]也采用了類(lèi)似的技術(shù)路線獲得了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。具體流程如圖4所示[32]。以上這些研究都表明了先采用模具成形預(yù)制體再進(jìn)行陶瓷化的技術(shù)路線非常適合陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制備，能夠克服傳統(tǒng)方法難以制備復(fù)雜異型陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的技術(shù)瓶頸。

圖4 C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制備流程[32](a)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)預(yù)制體;(b)浸漬;(c)裂解;(d)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)樣件Fig.4 Fabrication procedure of lightweight C/SiC ceramic matrix composites lattice structures[32](a)lightweight epoxy resin matrix composites lattice preform;(b)infiltration;(c)pyrolysis;(d)lightweight C/SiC ceramic matrix composites lattice structure samples

2.2 其他先進(jìn)制造方法

除預(yù)制體陶瓷化法外，近年來(lái)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步為陶瓷基復(fù)合材料輕量化結(jié)構(gòu)的獲得提供了全新的可能與機(jī)遇。尤其是增材制造(3D打印)技術(shù)的發(fā)展，擺脫了模具的限制，無(wú)需后續(xù)加工，為復(fù)雜異型的陶瓷基輕量化結(jié)構(gòu)的制造提供了嶄新的技術(shù)路徑。目前已有大量研究工作者采用3D打印方法制備了復(fù)雜異型的樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其中就包括不同構(gòu)型的輕量化結(jié)構(gòu)[34-35]。江蘇大學(xué)郝文峰等[36]采用激光選區(qū)燒結(jié)3D打印技術(shù)，制備了短切玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。愛(ài)爾蘭都柏林大學(xué)O’Connor等[37]采用低壓3D打印方法制備了連續(xù)纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料。哈爾濱工業(yè)大學(xué)李隆球等[38]采用超聲波振蕩輔助3D打印方法制備了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。西安交通大學(xué)田小永等[39]也采用3D打印技術(shù)制備了多種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚合物復(fù)合材料復(fù)雜構(gòu)件。然而上述取得的研究進(jìn)展都是基于纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料及其構(gòu)件的3D打印，而且以短纖維為主，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件的3D打印技術(shù)仍不成熟，亟待進(jìn)一步突破[40-41]。

除上述3D打印技術(shù)外，其他如激光焊接、數(shù)字制造等先進(jìn)制造手段的涌現(xiàn)與發(fā)展，同樣可以為樹(shù)脂基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)預(yù)制體或最終陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制備提供嶄新的技術(shù)途徑。

3 陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)行為

陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)服役中需要承受不同的力學(xué)載荷，其力學(xué)行為成為決定陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)應(yīng)用的關(guān)鍵性能之一。近年來(lái)，在制備獲得陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，常溫、高溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為研究得到了越來(lái)越多的關(guān)注與重視。

3.1 陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的常溫力學(xué)行為

(1)彎曲行為

彎曲載荷下C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)與力學(xué)性能是關(guān)鍵性能之一。北京理工大學(xué)何汝杰團(tuán)隊(duì)[42]通過(guò)實(shí)驗(yàn)、理論與仿真相結(jié)合的方法系統(tǒng)研究了不同芯子角度的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在三點(diǎn)彎曲載荷下的力學(xué)行為。首先針對(duì)不同芯子角度的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，開(kāi)展了彎曲實(shí)驗(yàn)(如圖5(a)所示)。

此外，他們還采用有限元方法數(shù)值仿真了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在三點(diǎn)彎曲載荷下的應(yīng)力狀態(tài)與失效行為，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。最終，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、理論與數(shù)值仿真相結(jié)合的研究策略，揭示了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在三點(diǎn)彎曲載荷下的失效模式與失效機(jī)理，建立了典型三點(diǎn)彎曲載荷下C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的失效競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制相圖，為C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為分析與實(shí)際應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

德國(guó)宇航科學(xué)中心Koch等[43]采用預(yù)制體陶瓷化技術(shù)途徑制備了C-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)(如圖5(b)所示)，其中重點(diǎn)設(shè)計(jì)考察了不同的纖維走向、波紋芯子折疊方式與方向等情況下波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制備。并重點(diǎn)針對(duì)其四點(diǎn)彎曲載荷下的破壞失效行為進(jìn)行了深入研究，采用實(shí)驗(yàn)結(jié)合有限元模擬的方法，分析了波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在四點(diǎn)彎曲載荷下的響應(yīng)機(jī)制與失效機(jī)理。最終分析表明所制備的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)有效剛度滿(mǎn)足典型四點(diǎn)彎曲載荷環(huán)境下服役需求。該研究進(jìn)一步為C-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)與分析方法。

(2)壓縮行為

C/SiC陶瓷基復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程應(yīng)用中，面內(nèi)與面外的壓縮載荷是經(jīng)常遇到的服役環(huán)境。C/SiC陶瓷基復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在面內(nèi)或面外壓縮載荷下的響應(yīng)機(jī)制與失效行為研究同樣尤為關(guān)鍵。北京理工大學(xué)何汝杰團(tuán)隊(duì)[44]進(jìn)一步探索了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的面內(nèi)壓縮行為。他們首先制備了具有不同芯子角度的四棱錐構(gòu)型的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，隨后細(xì)致開(kāi)展了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在面內(nèi)(in-plane)壓縮載荷條件下的實(shí)驗(yàn)研究。該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)面內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)總結(jié)出六種失效模式。并且通過(guò)理論分析詳細(xì)驗(yàn)證了相關(guān)失效破壞現(xiàn)象(如圖5(c)所示)。

圖5 C/SiC陶瓷基復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能(a)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)[42]；(b)C-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)四點(diǎn)彎曲[43]；(c)C/SiC四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)面內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)[44]；(d)C/SiC四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)面外壓縮實(shí)驗(yàn)[32]Fig.5 Mechanical properties of C/SiC ceramic matrix composites lattice structures(a)3-point bending test of C/SiC pyramidal lattice structures[42]；(b)4-point bending of C-C/SiC corrugated core sandwich panel structures[43]；(c)in-plane compressive strength test for C/SiC pyramidal lattice structure[44]；(d)out-of-plane compressive strength test for C/SiC pyramidal lattice structure[32]

此外，何汝杰團(tuán)隊(duì)[32]還探索了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在面外壓縮載荷下的力學(xué)行為，實(shí)驗(yàn)狀態(tài)如圖5(d)所示。觀察了不同芯子角度的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在面外壓縮載荷下的破壞失效現(xiàn)象，由實(shí)驗(yàn)可知：C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在面外壓縮載荷下的破壞主要表現(xiàn)為芯子的壓潰與褶皺，這對(duì)未來(lái)加強(qiáng)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

(3)其他力學(xué)行為

除上述力學(xué)行為外，陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)一般還會(huì)承受彎曲、壓縮、剪切、拉伸等載荷，甚至還會(huì)經(jīng)受動(dòng)態(tài)沖擊、熱沖擊等復(fù)雜載荷，這些載荷條件下陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的響應(yīng)機(jī)制與力學(xué)行為目前仍較少有研究。

值得一提的是，北京理工大學(xué)何汝杰團(tuán)隊(duì)[32]系統(tǒng)總結(jié)了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在彎曲載荷、面內(nèi)壓縮載荷、面外壓縮載荷下的力學(xué)強(qiáng)度，進(jìn)一步將強(qiáng)度數(shù)值與密度數(shù)值相比，獲得了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在彎曲載荷、面內(nèi)壓縮載荷、面外壓縮載荷下的比彎曲強(qiáng)度、比面內(nèi)壓縮強(qiáng)度與比面外壓縮強(qiáng)度(如表1所示)，并結(jié)合提出的“輕量化效率”的概念，獲得了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)體積密度、輕量化效率、比強(qiáng)度競(jìng)爭(zhēng)雷達(dá)圖(如圖6所示)，為不同工況環(huán)境下如何選擇C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)構(gòu)型提供了一定借鑒。

表1 C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)比強(qiáng)度[32]Table 1 Specific strength of C/SiC pyramidal lattice structures[32]

圖6 C/SiC四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)性能雷達(dá)圖[32]Fig.6 Radar chart of C/SiC pyramidal lattice structures[32]

3.2 陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)行為

除C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的室溫力學(xué)行為外，C/SiC陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件高溫力學(xué)行為對(duì)于理解其力學(xué)響應(yīng)機(jī)制、推進(jìn)其工程應(yīng)用具有重要意義。然而由于實(shí)際高溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能測(cè)試極其困難[45-50]。因此，針對(duì)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，目前大多先將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)樣件置于接近模擬服役狀態(tài)的高溫環(huán)境下處理，再降溫至室溫后測(cè)試結(jié)構(gòu)的殘留強(qiáng)度。

哈爾濱理工大學(xué)曾濤團(tuán)隊(duì)[51]將制備的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在大氣氣氛環(huán)境中不同溫度、不同氧化處理時(shí)間處理后，降溫至室溫后測(cè)試了波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的面外壓縮強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能經(jīng)過(guò)短時(shí)間高溫處理后反而有一定程度的提高。作者認(rèn)為這是由于高溫氧化環(huán)境下，SiC基體發(fā)生氧化行為，生成的玻璃態(tài)SiO2氧化產(chǎn)物在高溫環(huán)境下呈現(xiàn)熔融態(tài)，彌合填補(bǔ)復(fù)合材料表面及部分內(nèi)部裂紋缺陷，阻止氧向材料內(nèi)部的擴(kuò)散，從而使得材料本身的強(qiáng)度有一定提升，這與C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的氧化自愈合行為報(bào)道一致[52-55]。

湖南大學(xué)韋凱與哈爾濱理工大學(xué)曾濤[56]合作進(jìn)一步研究了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)行為。他們制備了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)樣件，然后分別在大氣氣氛下氧化處理后測(cè)試其面外壓縮強(qiáng)度。研究獲得的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)強(qiáng)度趨勢(shì)與之前報(bào)道有一定差異[51]，這是由于四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的芯子尺寸更小，對(duì)缺陷與裂紋更敏感，氧化更加惡劣，材料性能變?nèi)酰Y(jié)構(gòu)性能也相應(yīng)變?nèi)酢４送猓麄冞€重點(diǎn)研究了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在壓縮載荷下的破壞失效模式，并采用有限元方法數(shù)值仿真了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)經(jīng)不同溫度氧化處理后的內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)與失效行為，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

然而，必須說(shuō)明的是，上述研究只是間接研究了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)性能，并不是直接表征C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下的力學(xué)行為。隨著高溫測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，如何直接在高溫環(huán)境下獲得C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制與力學(xué)破壞失效行為，將是今后的重點(diǎn)關(guān)注方向之一。

4 陶瓷基復(fù)合材料輕量化結(jié)構(gòu)傳熱行為

面向高超聲速飛行器一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其傳熱性能與防隔熱性能是評(píng)價(jià)其服役性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。長(zhǎng)期以來(lái)，關(guān)于塊體陶瓷基復(fù)合材料的傳熱研究較多，然而關(guān)于陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的傳熱行為與傳熱機(jī)理研究仍較少。近年來(lái)，不同構(gòu)型陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的傳熱行為與傳熱機(jī)理研究得到了越來(lái)越多的關(guān)注。

4.1 等效熱導(dǎo)率理論預(yù)測(cè)

一般研究多孔結(jié)構(gòu)傳熱時(shí)，傳統(tǒng)研究大多借鑒塊體材料傳熱的研究思路，僅僅只考慮材料的熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱擴(kuò)散機(jī)制中的一種。例如，Daryabeigi[57]采用有限差分方法研究了蜂窩結(jié)構(gòu)的傳熱行為，主要是考慮了熱輻射對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)等效熱導(dǎo)率的影響。Swann等[58]建立了考慮結(jié)構(gòu)尺寸因子與材料屬性的蜂窩結(jié)構(gòu)等效熱導(dǎo)率預(yù)測(cè)半經(jīng)驗(yàn)公式。然而，目前尚未見(jiàn)到同時(shí)考慮多種傳熱機(jī)制的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)傳熱行為研究。

北京理工大學(xué)何汝杰團(tuán)隊(duì)[59]針對(duì)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)建立了同時(shí)考慮熱傳導(dǎo)與熱輻射的傳熱理論預(yù)測(cè)方法。該研究考慮到芯子與面板連接部分和面板厚度的尺寸與整個(gè)芯子厚度的尺寸相比較小，因此忽略由于芯子連接部分造成的面板溫度分布差異影響。同時(shí)借鑒塊體材料熱導(dǎo)率[60-61]，采用了等效熱導(dǎo)率(equivalent thermal conductivity)描述點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)率。

圖7 C/SiC四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)代表性單元與熱傳導(dǎo)模型[59-61]Fig.7 Representative cell and heat transfer model of C/SiC pyramidal lattice structure[59-61]

該團(tuán)隊(duì)細(xì)致分析了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的傳熱路徑，該點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)傳熱機(jī)制可以簡(jiǎn)化為如圖7所示的傳熱模型。結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳熱方式主要包括三部分：通過(guò)芯子的熱傳導(dǎo)、面板內(nèi)表面與芯子表面之間以及面板內(nèi)表面之間的輻射傳熱、由于空氣引起的芯子內(nèi)部空間的熱對(duì)流。這三種傳熱機(jī)制相互耦合，全面詳細(xì)考慮到模型中存在較大困難。因此，該團(tuán)隊(duì)考慮了最主要的兩種傳熱方式，即通過(guò)芯子的熱傳導(dǎo)傳熱與面板內(nèi)表面之間的輻射傳熱。該研究團(tuán)隊(duì)將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的總熱流密度表達(dá)為式(1)，(2)兩種情況下的熱流密度qc及qr之和：

(1)

(2)

式中：Kc與Kr分別表示由于熱傳導(dǎo)及熱輻射引起的等效熱導(dǎo)率；ΔT和h分別表示上下面板間溫差與高度。針對(duì)這兩個(gè)物理過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的傳熱分析與等效熱導(dǎo)率數(shù)學(xué)表達(dá)公式推導(dǎo)。

顯然，輻射引起的等效熱導(dǎo)率與溫度有很大的相關(guān)性，這個(gè)結(jié)論與文獻(xiàn)報(bào)道的蜂窩結(jié)構(gòu)及多孔陶瓷結(jié)構(gòu)的等效熱導(dǎo)率結(jié)論相同[57-58]。將輻射引起的熱導(dǎo)率與點(diǎn)陣芯子桿件熱傳導(dǎo)引起的等效熱導(dǎo)率相加即可得到點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)考慮輻射影響的等效熱導(dǎo)率，即點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效熱導(dǎo)率最終表示為：

(3)

該研究團(tuán)隊(duì)采用石英燈加熱實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效熱導(dǎo)率，并與式(3)的等效熱導(dǎo)率理論預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)公式結(jié)果對(duì)照。研究發(fā)現(xiàn)理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，從而說(shuō)明了該團(tuán)隊(duì)建立的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等效熱導(dǎo)率理論預(yù)測(cè)模型與數(shù)學(xué)表達(dá)式具有科學(xué)性與可行性。在該工作基礎(chǔ)上，何汝杰團(tuán)隊(duì)[33]還繼續(xù)針對(duì)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，同樣建立了同時(shí)考慮熱傳導(dǎo)與熱輻射的等效熱導(dǎo)率理論預(yù)測(cè)公式，理論預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣吻合良好。

此外，湖南大學(xué)韋凱等[62]繼續(xù)針對(duì)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及其他陶瓷波紋結(jié)構(gòu)，分析考慮了面板與芯子熱傳導(dǎo)、空腔輻射、表面輻射等多種機(jī)制的傳熱機(jī)制，如圖8所示。建立了波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效熱導(dǎo)率理論預(yù)測(cè)公式，并分析不同結(jié)構(gòu)構(gòu)型參數(shù)(面板厚度、芯子角度等)對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等效熱導(dǎo)率的影響規(guī)律。

圖8 C/SiC四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)模型[62]Fig.8 Heat transfer models of pyramidal lattice structure of C/SiC ceramic matrix composites[62]

4.2 等效熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)測(cè)試

C/SiC陶瓷基復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的傳熱行為除采用上述理論預(yù)測(cè)方法研究外，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)構(gòu)的等效熱導(dǎo)率也是一種非常重要的研究方法。韋凱等[63]采用石英燈加熱方式測(cè)試了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的傳熱性能。實(shí)驗(yàn)中將C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)置于測(cè)試裝置中，在試樣表面與背面布置熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，將紅外輻射石英燈管加熱到所需溫度后，記錄C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)面朝石英燈加熱面的溫度數(shù)值，以及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的背面溫度數(shù)值。最終按照溫度變化根據(jù)溫度差值進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算可以獲得結(jié)構(gòu)的等效熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)。

除了采取石英燈加熱方式外，北京理工大學(xué)何汝杰團(tuán)隊(duì)[64]則采取一種高溫爐加熱、紅外成像測(cè)溫的方式，測(cè)試了不同芯子角度的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的傳熱行為并計(jì)算了等效熱導(dǎo)率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了不同芯子角度的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)樣件背面溫度隨加熱時(shí)間的變化規(guī)律，從而進(jìn)一步計(jì)算獲得了不同芯子角度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效熱導(dǎo)率數(shù)值。該研究中還采用有限元方法模擬了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)背面的溫度變化曲線，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果數(shù)值吻合優(yōu)異。

此外，何汝杰團(tuán)隊(duì)[33]還繼續(xù)在模擬再入環(huán)境的風(fēng)洞中實(shí)驗(yàn)考察了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的傳熱行為。實(shí)驗(yàn)中，將C/SiC陶瓷基復(fù)合材料波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)放置于風(fēng)洞外測(cè)試工裝，風(fēng)洞營(yíng)造模擬再入環(huán)境對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)樣件正面進(jìn)行加熱，加熱溫度由紅外雙比色測(cè)溫儀記錄。通過(guò)模擬再入環(huán)境的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)試，同樣獲得了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的傳熱性能。

4.3 等效熱導(dǎo)率數(shù)值仿真

除上述理論預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試表征C/SiC陶瓷基復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的傳熱行為外，研究工作者也常使用數(shù)值仿真方法模擬C/SiC陶瓷基復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在傳熱過(guò)程中的內(nèi)部溫度場(chǎng)分部狀態(tài)，從而表征點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的傳熱行為。

韋凱等[63]使用有限元仿真方法數(shù)值模擬了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)樣件在不同溫度下處理一定時(shí)間后，樣件內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布狀態(tài)。圖9(a)為C/SiC四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布云圖和C/SiC四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)樣件背面的溫度分布云圖。數(shù)值仿真結(jié)構(gòu)與理論預(yù)測(cè)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合度較高。何汝杰團(tuán)隊(duì)[64]同樣采用有限元仿真方法，數(shù)值模擬了不同芯子角度的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)樣件背面的溫度變化趨勢(shì)(如圖9(b)所示)，研究發(fā)現(xiàn)數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

圖9 C/SiC陶瓷基復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)傳熱性能(a)C/SiC四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)溫度分布云圖[63];(b)樣件實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度與模擬溫度[64]Fig.9 Thermal transfer properties of C/SiC ceramic matrix composites lattice structures(a)temperature distribution of the C/SiC pyramidal lattice structure[63];(b)experimental and simulated curves of maximum temperature verse time on the back surface[64]

C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的傳熱行為與傳熱機(jī)理研究對(duì)于其應(yīng)用于熱防護(hù)結(jié)構(gòu)具有重要的科學(xué)意義。然而，目前無(wú)論是從理論、實(shí)驗(yàn)，還是數(shù)值仿真角度研究C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的傳熱行為與傳熱機(jī)理仍較初步，很多機(jī)制尚未揭示；尤其是多種傳熱機(jī)制耦合、熱力耦合等復(fù)雜環(huán)境下結(jié)構(gòu)的傳熱機(jī)制極其復(fù)雜，仍待進(jìn)一步深入探索。這也將是未來(lái)本領(lǐng)域的核心研究方向之一。

5 基于陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)

在深入揭示了陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制與傳熱機(jī)理后，受一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)(ITPS)理念激勵(lì)(如圖2所示)，眾多科研工作者紛紛探索了基于陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的ITPS的設(shè)計(jì)、制造與測(cè)試表征研究。期待實(shí)現(xiàn)耐高溫與輕量化承載同時(shí)滿(mǎn)足要求的ITPS。

湖南大學(xué)韋凱等[62]探討了在波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)芯子空隙內(nèi)填充隔熱材料的方案。研究了填充隔熱材料后的波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)傳熱機(jī)制(如圖7所示)，并與傳統(tǒng)塊體材料和未填充波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了傳熱行為的對(duì)比。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充隔熱材料，可以將陶瓷基復(fù)合材料的防熱優(yōu)勢(shì)與隔熱材料的隔熱優(yōu)勢(shì)一體化結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了承載、防熱、隔熱的一體化輕量化結(jié)構(gòu)。

北京理工大學(xué)何汝杰團(tuán)隊(duì)[33]也基于類(lèi)似思路，基于C/SiC陶瓷基復(fù)合材料波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩種ITPS。經(jīng)過(guò)理論預(yù)測(cè)與數(shù)值仿真研究發(fā)現(xiàn)， ITPS-2具有更佳的一體化熱防護(hù)效果。基于ITPS-2結(jié)構(gòu)，何汝杰團(tuán)隊(duì)[33]繼續(xù)采用預(yù)制體陶瓷化方法制備了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，并在內(nèi)部與下面板填充或粘貼隔熱材料，制備了ITPS樣件，經(jīng)過(guò)模擬再入環(huán)境風(fēng)洞測(cè)試，ITPS-2 ITPS呈現(xiàn)出良好的防熱、隔熱效果。展現(xiàn)出良好的輕量化、承載、防熱、隔熱綜合性能。

此外，北京理工大學(xué)艾士剛團(tuán)隊(duì)[65]系統(tǒng)研究了在C/SiC陶瓷基復(fù)合材料波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充不同隔熱材料、下面板粘貼隔熱材料后的結(jié)構(gòu)傳熱行為，并提出了結(jié)構(gòu)效率(structural efficiency)的概念來(lái)評(píng)估一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的整體效果，研究了不同結(jié)構(gòu)構(gòu)型參數(shù)情況下ITPS的結(jié)構(gòu)效率。北京理工大學(xué)何汝杰團(tuán)隊(duì)[64]進(jìn)一步提出了一種基于C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的多層ITPS，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)層數(shù)為兩層時(shí)，多層ITPS的等效熱導(dǎo)率低于單層，繼續(xù)增加層數(shù)，芯子桿件增多，熱傳遞的路徑也隨之增多，反而使得結(jié)構(gòu)等效熱導(dǎo)率一定程度上升。但是必須要指出的是，雖然多層ITPS的熱防護(hù)效率顯著優(yōu)于單層ITPS，但是制備難度與成本的提高使得多層結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用存在較大困難。

此外，湖南大學(xué)韋凱等[66]也提出了一種基于C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的層狀I(lǐng)TPS，他們通過(guò)在C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充梯度的隔熱材料，從而實(shí)現(xiàn)傳熱行為的阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)了ITPS防隔熱效率的提升。圖10為基于C/SiC陶瓷基復(fù)合材料四棱錐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的層狀I(lǐng)TPS設(shè)計(jì)示意圖。設(shè)計(jì)的這種填充梯度層狀隔熱材料的ITPS同樣具有良好的防隔熱效率。但是同樣需要注意的是，在具體制備操作中，如何在芯子空隙內(nèi)的狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)梯度層狀隔熱材料的填充具有較大難度。

圖10 多層ITPS示意圖[68]Fig.10 Schematic diagram of the multi-layer ITPS[68]

考慮到C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，尤其是多層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制備難題較大，西北工業(yè)大學(xué)張衛(wèi)紅等[67-68]簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)組成與制備方法，他們提出了一種創(chuàng)新的多層ITPS解決思路：采用鈦合金制備其中的芯子骨架，通過(guò)螺栓連接等方式在骨架上表面安裝C/SiC陶瓷基復(fù)合材料面板防熱層，在骨架內(nèi)部填充隔熱玻璃棉作隔熱材料。研究發(fā)現(xiàn)這種ITPS同樣具有優(yōu)異的輕量化、承載、防熱、隔熱性能。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)為新型ITPS的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

盡管目前基于陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的ITPS研究受到了越來(lái)越多的重視與關(guān)注，但是目前研究仍比較初步。亟須發(fā)展新的ITPS構(gòu)型，建立ITPS的設(shè)計(jì)方法，并完善其制備與表征測(cè)試方法，形成工程可用的ITPS，為下一代高超聲速飛行器新型ITPS技術(shù)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

6 總結(jié)與挑戰(zhàn)

本文主要針對(duì)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料，首先論述了發(fā)展C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的重要科學(xué)意義與工程價(jià)值。接下來(lái)，細(xì)致介紹了C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)，并詳細(xì)綜述了當(dāng)前C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與傳熱行為的研究進(jìn)展，最后對(duì)當(dāng)前基于C/SiC陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與集成的嘗試進(jìn)行了介紹。然而，筆者認(rèn)為目前該領(lǐng)域仍有以下挑戰(zhàn)亟須解決。

(1)輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新理論與新方法

目前，陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法基本借鑒金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、樹(shù)脂基復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，如何真實(shí)考慮陶瓷及其復(fù)合材料本征特性，實(shí)現(xiàn)陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)仍有待進(jìn)一步研究。此外，傳統(tǒng)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路僅僅是基于輕量化驅(qū)動(dòng)或力學(xué)承載驅(qū)動(dòng)，然而陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)面向熱防護(hù)應(yīng)用，未來(lái)服役過(guò)程中必然承受復(fù)雜的熱、力、氧化、熱沖擊等耦合環(huán)境，如何在多場(chǎng)耦合環(huán)境下進(jìn)行陶瓷基復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，仍是較大難題。

目前，已有研究通過(guò)模擬軟件對(duì)多種載荷邊界條件下的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行優(yōu)化，得到適應(yīng)不同環(huán)境的復(fù)雜構(gòu)型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；也有使用空心管或者點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)代替實(shí)心桿的多級(jí)夾芯結(jié)構(gòu)。這些創(chuàng)新點(diǎn)陣構(gòu)型的出現(xiàn)，都為陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了嶄新的思路[19,69]。如何發(fā)展陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新構(gòu)型，是下一步該領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。尤其是先進(jìn)制造手段(如3D打印等)的涌現(xiàn)使得以往無(wú)法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型成為可能，在此背景下，如何發(fā)展陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型的新設(shè)計(jì)理論和新設(shè)計(jì)方法，將是下一階段所面臨的重大挑戰(zhàn)。

(2)輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制造新技術(shù)

從本文綜述的陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀中發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜構(gòu)型的陶瓷基復(fù)合材料制造極為困難，這使得很多時(shí)候設(shè)計(jì)出的較大部分創(chuàng)新構(gòu)型的陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)形式，往往難以制備。因此，如何借助目前飛速發(fā)展的先進(jìn)制造手段，如 3D打印、特種焊接等先進(jìn)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新構(gòu)型的陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，將是今后該領(lǐng)域材料工作者與制造工作者重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題之一。

(3)輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)服役特性

面向熱防護(hù)應(yīng)用的陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中面臨復(fù)雜的熱、力、濕、疲勞等復(fù)雜載荷，多物理場(chǎng)耦合環(huán)境下陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的響應(yīng)機(jī)制及失效行為與失效機(jī)理，將是未來(lái)決定陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)能否工程實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

(4)輕量化多功能一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有輕量化多功能一體化優(yōu)勢(shì)。然而目前陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)往往只考慮力學(xué)承載特性以及防隔熱特性。陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)未來(lái)應(yīng)用于熱防護(hù)結(jié)構(gòu)中時(shí)，除了面臨著苛刻的輕量化承載需求、防隔熱需求外，有時(shí)候還期待同時(shí)具有電磁吸波、透波、抗爆等優(yōu)異性能。因此，如何實(shí)現(xiàn)陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的多功能一體化，例如，如何將輕量化、承載、防熱隔熱、電磁隱身性能綜合在一起，將是下一階段非常有意義的研究方向之一。

綜上所述，陶瓷基復(fù)合材料輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)能有效統(tǒng)一陶瓷基復(fù)合材料的耐高溫特性與輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的輕量化、承載、多功能一體化特性，對(duì)于拓展現(xiàn)有熱防護(hù)結(jié)構(gòu)、探索新型熱防護(hù)結(jié)構(gòu)、助力下一代高超聲速飛行器發(fā)展具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。