蜂窝增强低密度硅基烧蚀防热材料性能

高速再入飞行器通常采用烧蚀防热材料作为外表面大面积的热防护材料。本文对两种蜂窝增强低密度硅基烧蚀防热材料的力学性能、热物理性能和烧蚀性能进行了测试,并结合试验结果对烧蚀机理进行了研究分析。结果表明,材料的密度越高、拉伸强度就越高,但拉伸模量相近;两种材料的隔热性能参数都较低。两种材料在不同热流密度条件下的电弧风洞烧蚀后退速率都较低,在部分烧蚀条件下有轻微膨胀。两种材料的烧蚀背温都较低,烧蚀表面形貌良好,能满足设计指标要求,是一种适用范围较广的烧蚀防热材料。     

适用于长时间烧蚀防热的蜂窝增强低密度材料

针对长时间烧蚀防热对防热材料的需求,研制了两种蜂窝增强低密度烧蚀防热材料,采用电弧风
洞加热设备对其防热性能进行了考核,并对其力学及热物理性能进行了研究。结果表明,在两种长时间(1 000
s 左右)热环境的考核下,蜂窝增强低密度材料烧蚀后背面温度均低于200℃,表面碳层均匀、完整,无明显烧蚀
量,显示了优异的隔热性能和良好的抗气流冲刷能力。     

酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能

为考察纳米孔径的酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能,以酚醛树脂为碳源,环戊烷为发泡剂,吐温80为表面活性剂,对甲苯磺酸为固化剂,采用发泡固化碳化工艺制备了低密度泡沫碳材料。所制备的泡沫碳材料密度为0. 3 g/cm^3,压缩强度达到了11. 7 MPa。采用LFA457激光导热仪考察了泡沫碳材料在不同温度下(25、200、400、600℃)的导热性能,25℃下热导率为0. 141 W/(m·K),600℃下热导率为0. 344 W/(m·K);通过氧乙炔试验(30 s/60 s)对泡沫碳材料与C/C复合材料在同样的气流条件下隔热性能进行了比较,在材料正面烧蚀峰值温度泡沫碳材料比C/C复合材料高出约400℃的情况下,背面峰值温度比C/C复合材料仍低出150℃;通过氧乙炔试验考察泡沫碳材料的抗烧蚀性能,氧乙炔烧蚀60 s的线烧蚀率为0. 031 mm/s。试验结果证明低密度的泡沫碳材料同时具备优异的隔热与高温抗烧蚀性能。     

辐射/ 烧蚀交替型柔性防热复合材料

通过优化防热方式,提高柔性防热材料的烧蚀防热性能,设计制备了一种辐射/烧蚀交替型柔性防热材料,该柔性防热材料由多层复合防热布叠合构成,复合防热布是一种烧蚀体表面附着辐射层的复合材料,并通过氧乙炔烧蚀试验评价了其热防护性能。通过辐射层表面处理方法提高辐射层与烧蚀层的粘接性,用T型剥离试验、SEM评价了其粘接性能。结果表明,较烧蚀型防热材料,辐射/烧蚀交替型柔性防热材料具有更优异的热防护性能,烧蚀后防热层完好数更多,背温更低;表面处理方法可有效提高剥离强度,在处理剂浓度为5%时,效果最佳。     

低密度防热材料烧蚀性能研究

对两种蜂窝增强低密度烧蚀防热材料和一种中密度烧蚀结构材料力学性能及隔热性能进行了测试,同时通过电弧风洞对三种烧蚀防热材料的烧蚀性能进行了研究。结果表明,在一定的热流状态下,蜂窝增强低密度防热材料未出现烧蚀后退,而是轻微膨胀,且材料密度对其烧蚀形貌及碳层厚度均有一定影响;不同防热材料在烧蚀过程中存在热量传递与重新分布,从而减缓防热性能较差材料的烧蚀程度,提高两种材料的烧蚀匹配性能。隔热性能好的材料碳层厚度小,但隔热性能与碳层厚度无线性关系。     

丁腈橡胶增韧环氧树脂基烧蚀防热材料性能

以丁腈橡胶(CTBN)为增韧剂对环氧树脂(F51)进行增韧改性,通过FTIR、TG以及力学性能测试研究了丁腈橡胶对环氧树脂固化反应、热稳定性能和力学性能的影响,并分析了其增韧机理;分别采用燃气流剪切烧蚀试验和电弧风动烧蚀实验考核了低密度烧蚀材料的烧蚀性能。结果表明:经CTBN改性后,两者的分子链产生了一定程度的交联;树脂基体的拉伸、弯曲性能有所下降,但韧性得到了增强;热稳定性大大提高,增韧后的F51树脂在800℃时的残重率由增韧前的23%提高到了54%;低密度烧蚀材料的抗剪切、抗剥蚀能力得到了增强,且碳层的尺寸稳定性也得到了改善,烧蚀性能提高。     

碳布铺层方式对C/ C-SiC 薄壁喉衬性能的影响

通过CVI+PIP 制备了准三维针刺C/ C-SiC 薄壁喉衬,预制体碳布铺层方式分别采用与喉衬内型 面形状相同的仿形铺层以及与喉衬入口端角度相同30°铺层。研究了两种铺层方式对最终构件层间弯曲性 能、整体承压性能以及抗烧蚀抗冲刷的影响。结果表明,构件的弯曲强度分别为205 和152 MPa;水压爆破压 力分别为6. 5 和4. 9 MPa。用与材料表面夹角为30°的氧乙炔气流考查材料的抗烧蚀及冲刷性能,同角度铺层 成型材料抗冲刷能力明显较好,200 s 其线烧蚀率为仿形铺层成型材料的70%。     

涂层材料长时间气动加热实验研究

分两个方面介绍了涂层材料低热流长时间气动加热试验情况.先对涂层材料进行试验筛选,再将性能较好的涂层材料制作成大尺度球锥模型,考核其整体热结构性能及粘接工艺.该试验研究利用了湍流导管试验技术,并将传统的用于高热流、短时间运行的亚声速电弧包罩试验技术拓展到低热流、长时间加热领域,成功进行了小尺度平板模型和大尺度球锥模型的长时间气动加热试验,试验时间达600 s,试验过程中流场参数稳定.试验结果表明,筛选出的涂层材料整体热结构性能及粘接工艺较好.     

HTV2第二次飞行试验气动热环境及失效模式分析

采用数值模拟和工程计算相结合的方法对HTV2第二次飞行试验的热环境进行了复现,发现在40km以下,翼前缘驻点线会发生边界层转捩,引起前缘热流比层流情况增加55%,最大热流达到11MW/m~2,烧蚀量约为3mm,前缘高热流导致法向应力超过碳布层与层之间的粘接强度,而纵向应力小于碳布拉伸破坏极限。因此本文认为,HTV2第二次飞行试验失利的原因主要是:烧蚀叠加应力破坏,即在翼前缘由于烧蚀导致多层碳布被烧破,从而在翼前缘沿展向驻点线出现较长的破损口,而法向应力导致碳布层与层之间的粘接失去作用,在气动力作用下,可能从烧破的地方开始将碳布掀起,严重影响气动性能,最终导致飞行器无法控制。     

硅橡胶涂覆织物的性能优化研究

为优化硅橡胶涂覆织物的防隔热效率,在硅橡胶基体中添加新型耐烧蚀填料,采用新型骨架材料,制备出耐烧蚀硅橡胶涂覆织物;分别研究了纤维织物、耐烧蚀填料对硅橡胶涂覆织物的柔性、拉伸性能和烧蚀性能的影响。试验结果表明:硅橡胶涂覆织物的柔性和拉伸性能主要由纤维织物决定;M40J碳纤维织物作为骨架材料的硅橡胶涂覆织物烧蚀性能更优;当添加短切黏胶基碳纤维作为耐烧蚀填料时,硅橡胶涂覆织物在较高热流条件下(480 kW/m~2、120 s)的防隔热效率更高。     

辐射加热设备的开发及运用

介绍了中国航天空气动力技术研究院辐射加热设备的开发及运用情况.设备包括0-150 kW的石英灯加热器,试验舱,真空系统以及控制系统.在辐射加热设备上对低密度隔热材料在不同低压下的隔热性能进行了研究,所用模型横截面积为100 mmx100 mm,最长运行时间2000 s,低密度隔热材料的表面温度高达1000 K,试验舱最低压力为10 Pa.     

非烧蚀型防热材料烧蚀性能初步试验研究

介绍了在CARDC等离子体风洞中开展的非烧蚀型防热材料超高温陶瓷（UHTC）的试验研究结果。对Ф20mm平头圆柱体试验模型,采用亚声速驻点试验技术,在驻点热流478W／cm2,气流焓值27．9MJ／kg,环境压力18kPa条件下,分别对代号C（15、10）型、Y型、S（30、15、10）型3种材料模型进行了试验研究,并对模型试验前后的长度变化、质量变化以及模型表面温度进行了测量,初步分析了模型的表观变化、抗氧化特性和表面辐射特性。结果表明：Y型模型试验前后表观变化不大,表面温度达到1930℃;S型模型表面生成一层薄氧化层,稳定情形下模型表面温度达到1964℃;C型模型表面烧蚀严重,模型表面温度达到2462℃,防热性能最差。     

SiO_2-C复合气凝胶的制备及其结构

以间苯二酚(R)和甲醛(F)为碳源,以3-胺丙基三乙氧基硅烷(APTES)为硅源,一步溶胶一凝胶法简单快捷地合成了SiO_2-RF复合气凝胶,高温碳化后得到SiO_2-C复合气凝胶,并用扫描电镜、比表面分析仪对所得样品的结构进行了研究,并讨论了不同投料比对气凝胶结构的影响.结果表明碳化前,投料比APTES/R=1时,所得气凝胶具有最大的比表面积(S_(BET)=606.1 m~2/g),碳化后,由于体积收缩和酚醛热解产生新孔隙双重因素的影响,投料比AFTES/R=1/2时样品的比表面积达到最大(S_(BET)=704.2 m~2/g).     

颗粒冲刷条件下三元乙丙绝热材料烧蚀特性实验

为了研究三元乙丙基础配方、抗过载配方、无SiO2配方和无纤维配方等不同配方绝热材料在颗粒冲刷条件下的烧蚀特性和机理,基于高过载地面模拟试验发动机,开展了烧蚀试验研究。分析了实验后绝热材料的表面以及断面形貌特征和宏观烧蚀率结果,探讨了三元乙丙基础配方和抗过载配方绝热材料炭化层中致密结构形成的机理,进行了不同配方材料的烧蚀模式和机理的分析。研究结果表明:相同颗粒冲刷条件下,不同配方三元乙丙材料烧蚀模式和破坏机理不同,烧蚀率从小到大依次为抗过载配方基础配方无SiO2配方无纤维配方;其中基础配方和抗过载配方三元乙丙材料在烧蚀过程中炭化层形成"致密/疏松"结构,表面形成的致密结构可以提高材料的抗烧蚀性能,无SiO2和无纤维三元乙丙材料以基体的粒状和块状剥落破坏为主;不同配方绝热层炭化层的形貌和结构与纤维、SiO2含量以及烧蚀环境密切相关。     

绝热材料动态烧蚀试验方法

为了研究绝热材料的动态烧蚀特性,建立了一种敞开环境下绝热材料烧蚀表面的实时监测方法,用光学技术实时记录绝热材料试样表面烧蚀形貌和烧蚀面退移过程,通过图像处理,成功获得了绝热材料动态烧蚀率和烧蚀形貌的相关信息。该监测方法可对一定条件下炭化层的动态烧蚀性能进行评估,通过图像的批处理可获得每一时刻的动态烧蚀率和前n秒的平均线烧蚀率,适用于绝热材料动态烧蚀特性研究,还可以用于研究在绝热材料表面的炭化层形成和消耗特性。     

电弧风洞上的翼前缘烧蚀试验

介绍在CAAA的FD04电孤风洞上进行的翼前缘防热材料烧蚀试验结果.试验模型由高温陶瓷制成,后掠角53°,高75 mm,长55 mm,前缘半径2 mm,对称截面半锥角为5°.试验设备包括20 MW电弧加热器、混合室、矩形超声速喷管、试验段、轨道模拟系统及真空系统等.使用的矩形超声速喷管的马赫数为3.6,以3个台阶的轨道模拟翼前缘热环境,试验时间为77.0 s.试验结果表明高温陶瓷具有优良的抗烧蚀性能,两件试验模型在试验过程中均未出现破损现象,试验还得到了翼前缘模型试验过程中的内部温度响应.     

三维整体编织碳/酚醛复合材料烧蚀表面状态测试与分析

为了更好地研究三维整体纺织碳／酚醛复合材料的成型工艺对材料烧蚀性能的影响，选用不同纤维体积分数和不同编织结构的碳／酚碳复合材料试样，进行烧蚀试验，利用TalyScan150型表面粗糙度测试仪对试样烧蚀后的表面进行测试，并采用多种分析方法对测试结果进行分析。从分析结果可以看出三维四向结构的碳／酚醛复合材料随着纤维体积分数的增加，烧蚀性能变好，较低纤维体积分数（50％）的三维五向结构碳／酚醛复合材料具有较好的烧蚀性能。     

固体火箭冲压发动机补燃室绝热层烧蚀试验方法

基于自主研发的氧-煤油烧蚀试验系统,发展了一种用于固体火箭冲压发动机补燃室热结构及材料烧蚀研究的试验方法。采用该方法开展了某型室温硫化硅橡胶基绝热材料的烧蚀试验,试验分别在含氧化铝粒子侵蚀和无粒子侵蚀条件下进行,并根据SEM图对比分析了粒子对材料表面微观形貌的侵蚀效应。结果表明:无粒子侵蚀条件下的试样经烧蚀后膨胀并分层,其平均线烧蚀率为-0.025mm/s;而粒子侵蚀条件下的试样平均线烧蚀率为1.901mm/s,试样中心区域的陶瓷层被粒子完全破坏,只留下极薄的热解层和裸露的碳纤维端部,碳纤维周围的基体主胶、颗粒填料及芳纶纤维均被高速焰流氧化剥离,充分说明粒子对绝热层材料的强剥蚀破坏效应;同时也验证了该方法能较好地模拟固冲发动机补燃室内的烧蚀热环境,可用于材料配方的筛选和耐烧蚀性能测试。      

低密度烧蚀材料在神舟飞船上的应用

介绍了神舟号系列载人飞船返回舱防热材料的配方设计、成型工艺及性能情况,并与国外相关防热材料进行了对比,包括防热材料的类型、工艺及性能特点等,对返回舱用防热材料的发展进行了总结和展望.