高超聲速飛行器熱防護材料研究進展

呂泉江 陳芳育

摘 要：熱防護材料是高超聲速飛行器設計的關鍵技術。常用熱防護材料有C/C復合材料、超高溫陶瓷、樹脂基復合材料、難熔金屬及金屬基復合材料等。本文針對不同材料的特點歸納總結，提出了高超聲速飛行器熱防護材料面臨的問題，為今后的發展和應用提供參考。

關鍵詞：熱防護材料;C/C復合材料;超高溫陶瓷;樹脂基復合材料;難熔金屬;金屬基復合材料

中圖分類號：V259 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0066-02

0 引言

高超聲速飛行器具有隱蔽性好、作戰能力強和效能高等優點，具有很好的發展前景[1]。由于飛行馬赫數大，過載大，其熱防護材料設計是必須解決的安全問題，設計時需選取密度小、強度高、耐高溫的材料滿足結構防熱、輕質及高剛度的要求。目前熱防護材料主要有：C/C復合材料、超高溫陶瓷、樹脂基復合材料、難熔金屬及金屬基復合材料。

1 熱防護系統和材料

1.1 C/C復合材料

C/C復合材料具有密度低、熱膨脹系數小、比強度高等優勢，在高溫結構中表現出極大的優越性[2]。國內火箭發動機高溫結構采用C/C復合材料，表現出良好的抗燒蝕性能。但其在高溫環境中容易氧化導致結構失效，提高抗氧化性是實現大量應用的關鍵[3]。通過玻璃涂層、金屬涂層以及陶瓷涂層等實現與氧氣隔絕，工藝簡單，制備成本低，但使用壽命較短;在基體中引入具有抗氧化性的碳化硅、氧化硅、硼化鋯等化合物有效提升抗氧化性，在高溫環境中可長期安全使用。提高抗氧化性將成為C/C復合材料研究的關鍵。

1.2 超高溫陶瓷

超高溫陶瓷熔點、穩定性好，大量應用于高超聲速飛行器等結構中[4]。目前常用的超高溫陶瓷主要由碳化硅、碳化鋯、硼化鉿、硼化鋯等難熔碳化物和硼化物組成。碳化物超高超溫陶瓷抗氧化性較差，通常采用增加另一相材料提高其抗氧化性。研究人員在碳化鉿中加入硅化鉬，可以有效抑制基體晶粒的增加，提高了材料燒結性能和抗氧化性[5];硼化物超高超溫陶瓷中有很強的共價鍵，因此具有熔點高，蒸發率低和導熱率高的特點，但硼化物超高溫陶瓷材料難以致密，可以通過提高反應物的表面能、降低生成物的晶界能、提高材料的體擴散率等方法提高致密性[6]。硼化物在高溫境中會生成氧化硼保護層，抗氧化效果較好，但隨著溫度升高，氧化硼蒸發，其抗氧化能力下降。研究表明，通過添加第二相化合物，使得材料表層形成高熔點玻璃相，阻止了氧氣向內部擴散，提高了材料的抗氧化性[7]。

1.3 樹脂基復合材料

樹脂基復合材料比強度高、耐高溫、耐疲勞，是目前發展較成熟的先進復合材料[8]。樹脂基復合材料是由聚合物（有機硅、酚醛、聚芳塊等）為基體，與增強纖維（玻璃纖維、碳纖維、石英纖維等）復合而成。其中增強纖維-酚醛基復合材料由于制作成本低，性能優異，是目前研究最多應用最廣的熱防護材料。研究人員制利用高硅氧布增強改性的酚醛樹脂，制備出具有良好隔熱、抗燒蝕的復合材料[9];同時針對酚醛耐熱性不足，通過引入芳環等其他元素等改性酚醛制備出具有優異抗燒蝕性能的改性樹脂基復合材料。其研究應用逐步向承載-燒蝕防熱-隱身等多功能材料發展。

1.4 難熔金屬及金屬基復合材料

難熔金屬及其合金作為熱防護材料具有耐高溫、韌性高、可塑性好等優勢，其中應用較多的有鎢、錸、鉬等。其中鎢具有很好的抗氧化性和抗燒蝕能力，并且可以通過添加銅、錸、氧化釷、碳化鉿等提高力學性能[10];錸具有很好的耐高溫、抗腐蝕、抗熱震性能，但高溫環境下抗氧化能力較差，限制其作為熱防護材料的應用。研究表明錸與其它難熔金屬和陶瓷具有良好的相容性（如氧化釷、氧化鉿、碳化鋯等），可構成復合材料使錸的強度和抗氧化性得到改善，這也是未來研究和發展的重要方向[11]。鉬作為熱防護材料與鎢、錸相比，密度低，成本小，且其化合物具有很好的抗氧化性能，具有很好的發展前景[12]。

2 結語

隨著高超聲速飛行的發展，對其熱防護材料提出了更高的要求。本文結合最新研究進展對常用熱防護材料進行總結：C/C復合材料是最具前景的熱防護復合材料，目前研究的關鍵在于提高其高溫下的抗氧化能力。超高溫陶瓷復合材料是主要有碳化物和硼化物超高溫陶瓷，通過微觀結構設計提高抗氧化性以及致密性，是未來的主要研究方向。樹脂基復合材料是發展較成熟的復合材料，通過對基體改性發展性能優異的多功能材料，是研究和應用的重點。難熔金屬及金屬基復合材料的重點在于提高抗氧化能力，通過與其它難熔金屬或化合物復合，提高抗環境能力未來重要的發展方向。

參考文獻

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