航空航天技術(shù)論文

航空航天技術(shù)論文摘要:本文概述了航空航天領(lǐng)域熱防護(hù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了碳/碳復(fù)合材料、多孔纖維陶瓷材料、陶瓷基復(fù)合材料、熱障涂層技術(shù)、隔熱材料、輕質(zhì)燒蝕材料等，并對(duì)熱防護(hù)技術(shù)的未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要評(píng)述。關(guān)鍵詞:熱防護(hù)技術(shù)；碳泡沫材料；多孔纖維陶瓷；陶瓷基復(fù)合材料；熱障涂層；隔熱材料；輕質(zhì)燒蝕材料。引言在航空航天領(lǐng)域，航天飛行器以高馬赫數(shù)穿越大氣層，表面遭受?chē)?yán)重的氣動(dòng)加熱，易產(chǎn)生熱損傷。因此，熱防護(hù)技術(shù)成為航空航天領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。航空航天領(lǐng)域的熱防護(hù)主要依賴(lài)于防隔熱材料。本文簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)前前沿的幾種防隔熱材料，包括輕質(zhì)燒蝕材料、碳泡沫材料、多孔纖維陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料、無(wú)機(jī)纖維隔熱材料等的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用。1、熱防護(hù)材料發(fā)展概覽燒蝕類(lèi)熱防護(hù)材料歷史悠久，應(yīng)用廣泛，如纖維增強(qiáng)酚醛材料和酚醛樹(shù)脂基熱防護(hù)復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)酚醛材料是目前應(yīng)用最廣泛的材料。傳統(tǒng)燒蝕熱防護(hù)通過(guò)犧牲材料質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)防熱效果，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代航天器外形不變的要求，因此提出了非燒蝕材料的概念。非燒蝕材料是一種可重復(fù)使用的新型熱防護(hù)材料，其研究熱點(diǎn)包括提高使用溫度和高溫性能、增強(qiáng)表面抗輻射和抗氧化能力、實(shí)現(xiàn)防隔熱一體化和能量引導(dǎo)耗散機(jī)制的結(jié)合。本文首先簡(jiǎn)要介紹輕質(zhì)燒蝕材料，然后重點(diǎn)介紹幾種非燒蝕材料，如碳泡沫材料、多孔纖維陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料、無(wú)機(jī)纖維隔熱材料以及熱障涂層技術(shù)。2、輕質(zhì)燒蝕材料2.1基體材料?；w是燒蝕材料的主要組成部分，其性能直接影響整體結(jié)構(gòu)性能。輕質(zhì)燒蝕材料的基體材料通常包括彈性體和樹(shù)脂基體兩大類(lèi)。彈性體基體主要是各種橡膠及其混合物。硅橡膠具有高延展率、耐燒蝕和抗高溫燃?xì)鉀_刷的優(yōu)點(diǎn)，但密度高、機(jī)械強(qiáng)度低和界面粘性差等缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用。研究者對(duì)硅橡膠進(jìn)行了大量改性研究，共混改性是發(fā)展方向之一，可提高燒蝕性能。樹(shù)脂基體燒蝕材料具有高芳基化、高分子質(zhì)量、高C/O比、高交聯(lián)密度和高殘?zhí)悸实忍匦裕且活?lèi)性能優(yōu)良的燒蝕材料。目前成熟的樹(shù)脂基體主要有硅樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂以及新型的聚芳基乙炔樹(shù)脂等。2.2填料。填料是燒蝕材料的另一重要組成部分，主要作用是提高燒蝕材料的機(jī)械性能、降低絕熱層的導(dǎo)熱系數(shù)、提高隔熱效率、增強(qiáng)碳化層耐高溫燃?xì)鉀_刷性能和降低燒蝕率等。3、碳泡沫材料碳泡沫主要有兩種形態(tài)：韌帶網(wǎng)絡(luò)型泡沫和微球型碳泡沫。3.1韌帶網(wǎng)絡(luò)型泡沫。韌帶網(wǎng)絡(luò)型碳泡沫是一種石墨增強(qiáng)韌帶網(wǎng)絡(luò)型泡沫材料，具有各向同性的力學(xué)性能和高導(dǎo)熱性。3.2微球型碳泡沫?？招奶嘉⑶蚺菽哂辛己玫牧W(xué)性能和低導(dǎo)熱率，閉孔結(jié)構(gòu)的碳泡沫材料具有更理想的隔熱性能和力學(xué)性能。4、多孔纖維陶瓷多孔陶瓷具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、比表面積大、耐熱能力強(qiáng)、密度低、剛度高、熱導(dǎo)率低等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如熱防護(hù)系統(tǒng)中的多孔陶瓷熱障材料。多孔纖維陶瓷具有各向異性的導(dǎo)熱性能，在厚度方向上熱導(dǎo)率較小，在垂直于厚度方向上的熱導(dǎo)率較大，能有效隔熱和均布表面溫度，防止局部高溫的出現(xiàn)。5、陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料是在陶瓷基體中引入第二相材料形成的多相復(fù)合材料，具有耐高溫、抗氧化、耐磨、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于纖維的引入，具有類(lèi)似金屬的斷裂行為，克服了普通陶瓷材料脆性大的缺點(diǎn)。連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料是目前最受關(guān)注的陶瓷基復(fù)合材料，具有高比強(qiáng)、高比模、高可靠性、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，已成為軍事、航天、能源等領(lǐng)域理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。6、無(wú)機(jī)纖維隔熱材料隔熱材料分為剛性隔熱材料和柔性隔熱材料，本文主要介紹柔性隔熱材料。新型隔熱材料如納米隔熱材料和功能梯度材料受到關(guān)注。納米隔熱材料由于其獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)特征賦予了材料極佳的隔熱性能，已成功應(yīng)用于火星探測(cè)器的溫度敏感部件及星云捕獲器上。功能梯度材料是由日本學(xué)者在20世紀(jì)80年代首先提出的，最初打算應(yīng)用于航天飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件。功能梯度材料是一種其組成材料的要素組成和結(jié)構(gòu)沿厚度方向由一側(cè)向另一側(cè)呈連續(xù)變化，從而使材料的性能也呈梯度變化的新型材料。功能梯度材料在解決航空航天材料耐熱性、長(zhǎng)壽命、隔熱性和強(qiáng)韌性等特性時(shí)顯示了巨大的應(yīng)用潛力。7、熱障涂層技術(shù)隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件所經(jīng)受的燃?xì)鉁囟群腿細(xì)鈮毫Σ粩嘣黾?。熱障涂層技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。熱障涂層是由導(dǎo)熱性較差的陶瓷氧化物和起粘性作用的底層組成的防熱系統(tǒng)，可以顯著降低基體溫度，具有硬度高、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，能夠防止高溫腐蝕、延長(zhǎng)熱端部件的使用壽命，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和減少燃料消耗。熱障涂層的制備技術(shù)主要有：常規(guī)等離子噴涂、高能等離子噴涂、低壓等離子噴涂、電子束物理氣相沉積等。目前，已獲實(shí)際工程應(yīng)用的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層的材料體系主要由4個(gè)材料基元組成：高溫合金基體、陶瓷層、基體與涂層間的金屬粘結(jié)層及在陶瓷涂層與過(guò)渡層之間形成的熱生長(zhǎng)氧化層（以氧化鋁為主要物質(zhì)成分）。8、結(jié)語(yǔ)在航空航天領(lǐng)域，熱防護(hù)是一個(gè)重要的研究課題，隨著新一代航天器的研發(fā)，對(duì)熱防護(hù)提出了越來(lái)越高的要求。在研究傳統(tǒng)防熱材料的同時(shí)，許多