航天器热防护材料研究现状与发展趋势

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1、维普资讯http://www.cqvip.com航天器热防护材料研究现状与发展趋势／石振海等·15·航天器热防护材料研究现状与发展趋势石振海，李克智，李贺军，田卓(西北工业大学材料学院，西安710072)摘要热防护系统中所采用的多层复合热防护材料的层间界面结合和小块材料之间的连接对航天器的可靠性有很大影响，目前二者都存在一定的缺陷。依据功能梯度材料和c／c复合材料的理论，将高导热率碳泡沫和低导热率碳微球设计成密度和热导率功能梯度热防护碳泡沫材料，使其具备组分之间无层间界面和小块材料间易于连接等特点。关键词热防护材料碳泡沫功能梯度

2、材料C／C复合材料ResearchStatusandApplicationAdvanceofHeatResistantMaterialsforSpaceVehiclesSHIZhenhai，LIKezhi，LIHejun，TIANZhuo(SchoolofMaterialsScience，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072)AbstractThereliabilityofspacevehiclesismuchaffectedbytheinterfacebondingof

3、multi-layerheatresist—antmaterialsandthejoiningofsmallermaterialsinthethermalprotectionsystem．However，therearedefectsinbothaspects．Basedonthetheoriesconcerningfunctionalgradientmaterialsandc／ccomposites，awayisdesignedtOpre—pareafunctionalgradientcarbonfoamwithdensity

4、andheatconductivityforthermalprotectionfromthecarbonfoamwithhighheatconductivityandthecarbonmicrospherewithlowheatconductivitNTheadvantagesofthenewlydesignedmateriallieinthattherearenointerfacesbetweenlayersofmaterialsandsmallerpiecesofmaterialsaleeasytojoin．Keywords

5、heat-resistantmaterial，carbonfoam，functionalgradientmaterial，c／ccomposites它一般由外烧蚀层、承力结构层、隔热层、铝蜂窝散热层构1航天器的热防护系统和热防护材料成。这种基本设计在实际运用中通过材料的选用、制造工艺的热防护系统(Thermalprotectionsystem，简称TPS)是各国改进使其性能不断提高，适应了多种航天器的热防护需求r6]。正在研制的可重复使用于航天(空天)飞行器上的关键部件之经过多年来的不断改进，已在许多国家的航天器上得到了成功一r

6、1]。航天器的热防护系统是指使用特定的热防护功能材应用r8]。但是，这种设计的缺点在于它是由多种材料组成的料r3]，通过一定的散热和隔热措施，使航天器的内壁温度保持在多层结构，各层之间的性能差异极大，层间界面的结合总是有一允许范围之内r4]。因此，热防护系统和热防护材料的开发是各定的缺陷L1。在工程应用中，小块材料之间的连接也是很难解类航天器研究的重要领域之一r5]。决的技术问题[1。因部分小块隔热泡沫脱落，导致美国“哥伦1．1热防护系统的设计比亚”号航天飞机的失事就是例证之一。航天器通用热防护材料的早期结构设计如图1所示[6]

7、。1．2热防护材料的类型烧蚀材料按照热防护机理的不同，热防护材料可分为三类：一是热容f1f．]J硼．1J’l■吸热式热防护材料。此种材料具备较高的热导率、高熔点和大结合面一比热等特点。当外界温度急剧变化时，该材料能迅速吸热或散不锈钢热，如涂镍铜或铍等金属。二是辐射式热防护材料。该材料具■焊接结构有高辐射系数和高熔点，当热防护材料表面的温度升高时，通过。。。·-··再辐射作用实现散热目的，如镍、铬、铌和钼等难熔金属板以及t．．t‘’。隔热层t··．．．20世纪70年代以来所采用的轻质泡沫陶瓷瓦。三是质量引射襟lllI磁Ⅲ_-■铝蜂

8、窝式热防护材料。在高温下此种材料能热解、汽化，在边界层通过质量引射效应达到散热效果。最常见的是烧蚀热防护材料，如以纤维为增强填充材料的纤维增强酚醛材料和以酚醛树脂为粘图1航天器通用热防护结构示意图合剂制备的热防护复合材料r1。目前技术最成熟，应用最广泛*西北工业