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。     

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。     

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。     

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。     

丁腈橡胶增韧酚醛树脂基变密度烧蚀防热复合材料研究

采用丁腈增韧酚醛树脂作为变密度烧蚀材料基体，通过化学发泡法来降低材料的密度，并通过调节发泡剂用量实现对材料密度的设计，制备了变密度烧蚀材料并进行了性能测试。实验结果表明：变密度烧蚀材料的力学性能随密度的升高而提高，隔热性能随密度的降低而提高；采用变密度烧蚀材料可使材料的烧蚀热效率提高12％左右。     

低密度高温烧蚀防热涂层的研究

研究了低容重膨胀蛭石的制备、空心Al2O3-Si O2微球的表面改性和低密度烧蚀涂料的组成。以有机硅环氧树脂和酚醛树脂为成膜物,获得了密度达到了0.4~0.6g/cm3的低密度烧蚀涂层。对低密度烧蚀涂层进行力学、热力学、氧乙炔烧蚀性能的测试实验,结果为附着力在2.97~4.63MPa之间,导热系数不超过0.1kcal/(m·h·℃),线烧蚀率不超过0.30mm/s,质量烧蚀率在0.11~0.18mm/s之间。表明烧蚀涂层在密度得到大幅降低的同时,仍然保持了优良的理化和烧蚀性能。     

酸酐固化剂对硅橡胶低密度烧蚀材料施工期的影响

通过对延长硅橡胶密度烧蚀材料体系施工期的研究，发现酸酐固化剂可以将环氧改性硅橡胶低密度烧蚀材料的施工期延长到24h以上，从而可能实现真空热压罐大面积灌注密度烧蚀材料的成型工艺。通过对固化材料进行红外分析，发现加入酸酐固化剂后并未改变硅橡胶和环氧树脂各自的反应，没有新的反应特征峰出现，说明环氧和硅橡胶之间无反应，只是物理共混，从材料拉伸断面的扫描电镜观察可以证实硅橡胶和环氧树脂以海－岛结构存在。     

模型表面温度对光电特性影响的实验研究

对在JF-10氢氧爆轰驱动高焓激波风洞中开展烧蚀材料模型表面温度对光电特性影响的实验方法进行了探索。风洞实验状态的驻室总压约为20MPa,驻室总温约为6000K,自由流速度约为4km／s。实验以锑化铟多单元红外成像系统与电离列阵测试装置为测量手段,用以烧蚀材料为头部的球头钝锥体模型,实验测量激波层中红外辐射的横向剖面分布和壁面附近电离密度的剖面分布,并在烧蚀材料加热和不加热两种情况下进行了对比实验。实验结果表明：烧蚀材料的加热加强了模型头部激波层中的红外辐射,同时也增大了模型表面的电子密度。     

载人飞船防热方案及材料的确定

本文在分析工作环境的特点及其对材料工艺影响的基础上,提出发展载人飞船应采用低密度烧蚀防热结构,并对这种防热材料的关键技术作了预测和评述。     

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。     

航天飞行器热防护涂层研究进展

近年来,新研航天飞行器气动热环境往往具有高焓、高热流密度和长时间加热等特点,这促使防热材料的研制朝着低密度、高抗烧蚀、优良隔热等性能的方向发展。受自身材料类型的限制,无论烧蚀型(树脂基)或非烧蚀型(陶瓷基)防热材料都可以通过对烧蚀表面进行涂层处理的手段达到弥补材料性能短板,提高使用性能的目的。本文试图梳理、总结国内外近年来热防护系统用涂层材料的发展状况,探讨各自的优势和缺点,并提出了针对树脂基复合材料热防护涂层可能趋势的推测。     

ZrB2/C复合材料抗烧蚀性能及微观结构的研究

采用热压法制备ZrB2／C复合材料，利用氧乙炔火焰烧蚀法测试材料的质量烧蚀率和线烧蚀率，采用扫描电镜和X射线衍射分析材料的微观结构及物相变化。研究结果表明：和相同工艺制备的纯石墨材料相比，ZrB2的引入降低了炭材料的质量和线烧蚀率，ZrB2的加入量越大，烧蚀率降低幅度越大，ZrB2引入明显提高了炭材料的抗烧蚀性能；通过微观结构分析，探讨了ZrB2形态和含量对复合材料抗烧蚀性能影响的机理，研究结果展示了此材料作为高温烧蚀材料的良好应用前景。     

低密度烧蚀材料高温气动剪切试验研究

利用超声速平板试验技术,对两种低密度烧蚀材料在高焓、低热流(气流剪切力70 N/m~2,冷壁热流密度200 kW/m~2,气流总焓12 MJ/kg,压力1 kPa,试验时间300 s)条件下进行了高温气动剪切试验.试验中通过试验件的不同安装方式,综合考核了材料的性能及工艺.结果表明:两种低密度烧蚀材料试验过程中无明显剥蚀,表面碳层完整,材料的抗剪切性能较好,两种材料表面烧蚀较为均匀,材料间的粘接缝没有明显的开裂,也没有出现冲刷凹槽,材料的热匹配性能较好;材料与底板之间没有脱落现象,粘接工艺较好.     

环境温湿度对蜂窝增强硅橡胶基低密度烧蚀材料硬度的影响

介绍了环境温湿度以及促进剂用量、酸酐用量对窝增强硅橡胶基低密度烧蚀材料硬度的影响。试验发现蜂窝增强硅橡胶基低密度烧蚀材料硬度沿厚度方向呈规律变化：从外向里材料硬度逐渐降低,室温存放时间长的材料硬度降低的梯度小;密度小的材料硬度降低梯度小;促进剂量多的材料硫化后材料表面硬度大,从外向里硬度降低梯度大。其酸酐用量最佳起来 环氧树脂的３０％（质量分数）。     

环境温湿度对低密度烧蚀材料施工窗口的影响

为了研究环境温湿度对低密度烧蚀材料施工窗口的影响,将低密度预混料在室内放置不同的时间后,再对其进行后续的灌注、固化、加工等处理,进而讨论基体黏度对烧蚀材料的宏观微观形貌及施工工艺的影响。结果表明:基体黏度随放置时间的增加而增加,且有拐点,拐点后环境温湿度对基体的黏度影响更加显著,温湿度越大,基体黏度增大越快;拐点前后灌注的低密度材料的密度、宏观形貌没有明显差别,但拐点前灌注的材料填料在树脂中分布均匀,树脂充分浸润填料,而拐点后灌注的材料填料分布不均匀,树脂不能充分浸润填料,存在孔隙。说明低密度预混料应在基体黏度拐点前进行灌注,环境温度湿度越大,施工窗口越短,反之亦然。     

一种轻质烧蚀结构一体化材料

针对某产品的防热需求,研究了一种轻质烧蚀结构一体化材料,对其坯料(材料A)的热处理制度及预固化程度进行了研究,确定了最佳的热处理温度和时间;对材料A成型得到的轻质烧蚀结构一体化材料(材料B)的拉伸性能和热物理性能进行测试,通过电弧风洞对烧蚀性能进行考核,并对烧蚀后材料的纵向密度分布进行了分析。结果表明,添加一定的处理剂可提高材料的拉伸强度和断裂延伸率,处理剂可有效增强材料各组分的界面结合强度;材料B的热扩散率比材料C(中密度)低,在中高热流状态下,材料B烧蚀表面碳层完整致密,与材料C相比,线后退率略大,质量损失率略小,背壁温度较低,材料B具有更好的烧蚀隔热性能。     

再入飞行器烧蚀热防护一体化计算方法

针对再入飞行器烧蚀热防护系统烧蚀与瞬态温度耦合响应预测问题,提出了一体化计算方法,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供包括气动热、烧蚀后退、瞬态温度响应在内的动态响应预测依据。该方法采用Sutton-Graves和Tauber-Sutton理论计算驻点的对流热流和辐射热流,通过表面能量平衡整合具有较高精度的烧蚀模型,并通过Landau变换简化烧蚀后退带来的节点删除过程并保证空间离散精度,最后求解瞬态有限差分热传导方程获得烧蚀热防护系统的热环境、烧蚀过程和温度响应。通过对比计算碳-碳材料钝头体地球再入过程和酚醛浸渍基碳烧蚀体（PICA）材料电弧风洞烧蚀模拟,对该方法对于不同材料体系的适用性进行了验证。计算结果表明：对于密度较高的碳-碳材料,本文计算结果与经典的热平衡积分法吻合较好,偏差在7%以内;而对于低密度材料（如烧蚀性能对压力高度敏感的PICA材料）,随着热流和压力的增大,预测偏差逐渐增大。所提出的方法实现了气动热、烧蚀、瞬态温度响应耦合过程的一体化计算,在保证精度的前提下实现快速计算分析,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供依据。     

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。     

树脂基防热材料长时间烧蚀后的变形问题

针对树脂基防热材料长时间烧蚀后变形问题进行了分析,通过对某改性石英纤维织物/酚醛复合材料烧蚀后碳层厚度、不同温度线胀系数及力学性能的测试分析,提出内部热应力是导致材料长时间烧蚀后变形的主要原因.     

树脂基复合材料长时间烧蚀防热的应用研究

介绍了不同再入飞行器热防护材料的特点，指出长时间飞行器对防热层的要求。通过纤维织物改性和树脂基体改性研制了新型防隔热材料，并进行了性能测试和研究。结果表明：新型改性纤维／酚醛复合材料比传统的树脂基防热材料具有更好的隔热性能和抗烧蚀剥蚀性能，能够满足中低焓值、较低热流、烧蚀时间较长（300～700s）防热部件的防隔热要求。