航空航天技術論文
航空航天是當代高新科技最為集中的行業,航空航天產業技術的發展關係到國家安全和綜合國力的提升,下面是小編為大家整理的，希望你們喜歡。
篇一
航空航天熱防護技術發展概述
摘要:本文簡要介紹航空航天領域熱防護技術的發展概況，重點介紹碳/碳複合材料、多孔纖維陶瓷材料、陶瓷基複合材料、熱塗層技術、隔熱材料、輕質燒蝕材料等，並對熱防護技術的發展趨勢作簡要評述。
關鍵詞:熱防護技術; 碳泡沫材料; 多孔纖維陶瓷; 陶瓷基複合材料;熱障塗層 ;隔熱材料; 輕質燒蝕材料
前言
在航空航天領域，航天飛行器以高馬赫數穿越稠密大氣層飛行，飛行器表面會產生嚴重的氣動加熱，容易產生熱損傷。因此熱防護技術是航空航天領域至關重要的關鍵技術之一。
在航空航天領域，熱防護主要採用防隔熱材料的方式。下面簡要介紹目前比較前沿的幾種防隔熱材料，輕質燒蝕材料、碳泡沫材料、多孔纖維陶瓷、陶瓷基複合材料、無機纖維隔熱材料等的發展現狀與應用。
1熱防護材料發展概況
燒蝕類熱防護材料發張歷史較長，應用較廣泛，如以纖維為增強填充材料的纖維增強酚醛材料和以酚醛樹脂為粘合劑的熱防護複合材料。目前應用最廣泛的是纖維增強酚醛材料[1]。傳統的燒蝕熱防護是以犧牲熱防護材料質量來換取防熱的效果，無法應對當今航天器外形不變的要求，於是提出了非燒蝕材料的概念。非燒蝕材料是一種可以重複利用的新型熱防護材料。對於該種材料來說，提高極限使用溫度和高溫效能、提高表明抗輻射、抗氧化能力、防隔熱一體化和能量疏導耗散機制的結合是目前研究的熱點和重點[2]。
因此下面將先簡單介紹一下輕質燒蝕材料，然後重點介紹幾種非熱燒蝕材料，如碳泡沫材料、多孔纖維陶瓷、陶瓷基複合材料、無機纖維隔熱材料以及熱塗層技術。
2 輕質燒蝕材料[3]
2.1 基體材料。基體是燒蝕材料的主要組成部分,不僅能將材料中的各種組分結合成型，其效能好壞還直接影響整體結構效能。輕質燒蝕材料的基體材料一般包括彈性體和樹脂基體兩大類。
彈性體基體主要是各種橡膠及其混合物。矽橡膠具有延展率高、耐燒蝕和抗高溫燃氣沖刷的效能優點。但是，矽橡膠有密度較高、機械強度低和介面粘性差等缺點，因此應用受到一定限制。為此，研?a href='//' target='_blank'>咳嗽倍怨柘鸞航?辛舜罅康母男匝芯浚?渲懈男緣姆⒄狗較蛑?皇槍不旄男?使燒蝕後碳層更加緻密、堅固，提高了燒蝕效能。
樹脂基體燒蝕材料一般具有高芳基化、高分子質量、高C/O比、高交聯密度，高殘碳率等特點，是一類效能優異的燒蝕材料。目前較為成熟的樹脂基體主要有矽樹脂、酚醛樹脂以及新型的聚芳基乙炔樹脂等。
2.2 填料。作為燒蝕材料另一重要組成部分，填料主要起著提高燒蝕材料的機械效能、降低絕熱層的導熱係數、提高隔熱效率、增強碳化層耐高溫燃氣沖刷效能和降低燒蝕率等作用。
3碳泡沫材料
碳泡沫主要有兩種形態：一種是韌帶網路型泡沫，另一種是微球型碳泡沫。
3.1韌帶網路型泡沫。韌帶網路型碳泡沫是一種石墨增強韌帶網路型泡沫材料。該泡沫以瀝青或聚合物等作為先驅體,通過石墨化和高溫炭化處理,將無定形碳轉化為多孔石墨韌帶微結構,形成網狀泡沫韌帶,其效能與結構優於現有的碳/碳複合材料[1]。該種碳泡沫材料具有以下特點：一是泡沫和韌帶是任意排列於三維空間，因此具有各向同性的力學效能;二是韌帶具有纖維結構的效能特徵。並且這種碳泡沫材料的熱導率大約是銅的6倍，是一種良好的導熱泡沫材料。
3.2微球型碳泡沫。 空心碳微球泡沫是以高殘碳樹脂或中間相瀝青為先驅體，先製成幾何尺寸為微米的奈米級的空心微球，再用適當的樹脂作粘合劑將其注模成型，在氮氣和氬氣的氣氛中經1100―2400℃的碳化和石墨化，得到空心微球結構的碳泡沫，當將其從室溫高速加熱到3100℃時，這種材料仍然具有良好的力學效能，導熱率較低，且由於微球大多是開孔的，力學效能欠佳。但用甲階酚醛樹脂為原型，通過微膠囊法先製備出酚醛樹脂空心微球，注模成型，再經過碳化和石墨化處理，所製得的碳泡沫材料中的微球均是閉孔的，隔熱效能和力學效能更為理想。
4多孔纖維陶瓷
多孔陶瓷具有化學性質穩定、比表面積大、耐熱能力強、密度較低、剛度高、熱導率低等優點,並且在力學、化學、熱學、光學、電學等方面具有獨特的效能,目前在分離過濾、換熱、載體、蓄熱、吸聲隔音、隔熱、曝氣、電極、感測器、生物植入等諸多方面都有著廣泛的應用。在航空航天領域也不例外,如熱防護系統中應用多孔陶瓷熱障材料,在飛行器外殼隔熱、發汗冷卻構件、燃氣輪機高溫合金部件表面熱防護等方面,可起到低金屬表面溫度、提高燃氣工作溫度、改善燃氣效率、延長熱端部件使用壽命的重要作用。
多孔纖維陶瓷具有各向異性的導熱效能，有很多應用。作為熱防護材料的陶瓷熱障，因其導熱的各向異性，在厚度方向上熱導率較小，在垂直於厚度方向上的熱導率較大，能夠起到隔熱和均布表面溫度的效果,根據文獻[4]中的計算和實驗表明，多孔纖維陶瓷材料在一個方向的熱導率是另一個方向的3倍左右，因此在厚度方向可以有效隔熱的同時，還可以在表面方向上均布溫度場，能非常有效的防止區域性高溫的出現。
5 陶瓷基複合材料
陶瓷基複合材料是在陶瓷集體中引入第二相材料所構成的的多相複合材料。在陶瓷中加入纖維能大幅度提高材料的強度、改善陶瓷材料脆的缺點，並提高使用溫度。因此陶瓷基複合材料不僅具有陶瓷耐高溫、抗氧化、耐磨、耐腐蝕的優點，同時由於纖維的引入，時其具有類似金屬的斷裂行為，對裂紋不敏感，克服一般陶瓷材料脆性大、可靠性差的致命弱點[5]。
克服陶瓷脆性的方法主要包括連續纖維增韌、想變增韌、微裂紋增韌以及晶須晶片增韌等。其中連續纖維增韌碳化矽基複合材料是目前最受關注的陶瓷基複合材料。
連續纖維增強陶瓷基複合材料具有高比強、高比模、高可靠性、耐高溫等優點，已經成為軍事、航天、能源等領域理想的高溫結構材料。主要應用於發動機燃燒室、喉襯、噴管等熱結構件以及飛行器機翼前緣、控制面、機身迎風面、鼻錐等防熱構件。
6 無機纖維隔熱材料
隔熱材料分為剛性隔熱材料和柔性隔熱材料，其中剛性隔熱材料的研究已經基本成熟，這裡主要介紹柔性隔熱材料。
近幾年比較受關注的新型隔熱材料有：奈米隔熱材料和功能梯度材料。
奈米隔熱材料由於其獨特的微結構特徵賦予了材料極其優異的隔熱效能 。 艾姆斯研究中心、馬賽爾空間飛行中心和肯尼迪空間中心分別開展了納米隔熱材料的研究工作。在1999年時奈米隔熱材料的研究就已經達到了相當成熟的階段。 在實用化方面，奈米隔熱材料已經成功應用於火星探測器的個別溫度敏感部件及星雲捕獲器上。此外德國、瑞典、以色列、日本等國也開展了新型奈米隔熱材料的研究工作。目前已經報道的常溫常壓下奈米隔熱材料最低的熱導率為0.013 W/ ***m・k***，比靜止空氣的低一半。有資料報道的奈米隔熱材料的使用溫度一般都小於500 ℃，機械強度比較差。進一步提高奈米隔熱材料的使用溫度及其它綜合性能將是今後研究工作的重點。
功能梯度材料的是由日本學者平井敏雄等在20世紀80年代首先提出的,他們最初打算將該材料應用於太空梭的熱防護系統和發動機的熱端部件。功能梯度材料一種其構成材料的要素組成和結構沿厚度方向由一側向另一側呈連續變化,從而使材料的效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、長壽命、隔熱性和強韌性等特性時顯示了十分巨大的應用潛力。在導熱係數達到設計要求的前提下，它能克服多層熱防護材料之間的層間缺陷和小塊材料之間連線困難的不足。這應該是會成為未來航空航天熱防護系統新一代的隔熱材料。
7 熱障塗層技術
當今航空發動機的主要發展方向之一是提高發動機渦輪前進口溫度，以此來提高發動機的熱效率。但隨著渦輪前進口溫度的提高，發動機熱端部件所經受的燃氣溫度和燃氣壓力不斷提高。從上世紀40年代到上世紀末，航空發動機的工作溫度快速上升，燃氣溫度已超過 1650 ℃。預計很快將達到1930℃。這樣高的溫度已經大大超過現有合金的極限工作溫度，因此，必須採用相應的措施。
一方面，可以向上面提到的一樣繼續研製新型高溫材料，提高高溫合金的耐熱效能;另一方面，採用先進的冷卻技術，如葉片冷卻氣膜設計及製造工藝的改進。在過去的50多年中，隔熱材料對提高發動機工作溫度已經做出了很大貢獻。但是在當前使用的發動機的工作溫度下，燃氣溫度已超過鎳基合金的熔點，基體材料本身以及發動機結構設計的改進使高溫合金甚至單晶高溫合金幾乎已達到其耐熱極限，因此要想通過合金材料大幅度提高熱端部件、尤其是葉片的工作溫度已經極端困難。70 年代先進氣膜冷卻技術也因為高效能發動機的發展，發動機中可用冷氣流量越來越少，依靠氣膜冷卻技術進一步提高降溫效果已沒有太大的空間。在這種情況下，為了滿足先進航空發動機對材料更苛刻的效能要求，熱障塗層技術得到了廣泛的應用和發展。
熱障塗層是有導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，可以明顯降低基體溫度，具有硬度高、高化學穩定性等優點，能夠防止高溫腐蝕、延長熱端部件的使用壽命，提高發動機功率和減少燃油消耗。
熱障塗層的製備技術主要有：常規等離子噴塗、高能等離子噴塗、低壓等離子噴塗、電子束物理氣相沉積等[6]。
目前，已獲實際工程應用的雙層結構熱障塗層的材料體系主要由4個材料基元組成：高溫合金基體、陶瓷層、基體與塗層間的金屬粘結層及在陶瓷塗層與過渡層之間形成的熱生長氧化層***以氧化鋁為主要物質成分***。其中，合金基體主要承受機械載荷;陶瓷塗層是隔熱材料;粘結層在塗層受熱和冷卻過程中能緩解基體與陶瓷層的熱不匹配。在熱迴圈載荷作用下，各材料基元間遵循動力學原理相互作用，以動態平衡方式控制整體材料的熱力學效能和使用壽命。
8結束語
在航空航天領域，熱防護是重要研究課題之一，隨著新一代航天器的研發，對熱防護提出了越來越高的要求。在研究傳統防熱材料的同時，許多新型材料相繼被人們關注。上面提到的碳泡沫材料、多孔纖維陶瓷、陶瓷基複合材料、隔熱材料、輕質燒蝕材料都是非常有前景的防熱材料，在未來的航空航天領域中將繼續發揮越來越大的作用。同時，冷卻和熱塗層技術也將會不斷完善已面對新的要求。
參考文獻
[1] 石振海,李克智,李賀軍,田卓.航天器熱防護材料研究現狀與發展趨勢【J】.材料導報，2007，21***8***：15-18.
[2] 胡繼東，左小彪，馮志海.航天器熱防護材料的發展概述【J】.航天返回與遙感，2011，32***3***：88-92.
[3] 吳曉巨集，陸小龍，李濤，易忠.輕質燒蝕材料研究綜述【J】.航天器環境工程，2011，28***4***：313-317.
[4] 景小龍，郝曉麗，方萍等.多孔纖維陶瓷的各向異性熱導率研究【J】.江蘇航空，2010，增刊：155-157.
[5] 文生瓊，何愛傑.陶瓷基複合材料在航空發動機熱端部件上的應用【J】.技術綜述，2009，增刊：4-7.
[6] 牟仁德，陸鋒，何利民，賀世美，黃光巨集.熱障塗層技術在航空發動機上的應用與發展【J】.熱噴塗技術，2009，1***1***：53-66.
點選下頁還有更多>>>