航天器热防护材料的发展概述

航天器热防护材料的发展概述

载人航天的返回舱，重复使用的运载器及空天飞机等，再入大气层时，由于航天器从接近真空的外空间进入稠密的大气层，再加之飞行速度很好，在大气中以高马赫数飞行时，飞行器和弹体表面会产生严重的启动加热，将对飞行器表面产生热损伤，因此防隔热材料是飞行器最重要的关键材料之一。防隔热材料是能够阻止热量传递，保护仪器或设备正常工作的一类材料。

烧蚀类热防护材料发展历史长，技术也相对成熟，因此应用也相对广泛。例如由甲醛，环氧树脂或硅橡胶为集体的低密度烧蚀材料适用于高焓，低热流和较长时间使用条件下的飞行器防热，是宇宙飞船返回舱和星际探测器中重要的热防护材料。有的返回舱采用高密度烧蚀材料，由石棉玻璃布（大底处）或加氟特伦（侧壁处）构成烧蚀层。NASA目前正研制的“猎户座”飞船的防热罩将是一种一次性使用的烧蚀系统，可通过逐渐烧蚀来消耗掉大气再入过程中产生的高温。

传统的烧蚀材料热防护是以牺牲防热材料的质量损失换取防热的效果，但对外形不变的要求，烧蚀热防护已无能为力（？），于是提出非烧蚀的概念。对于非烧蚀（或可重复使用）的新型防护系统及材料来说，提高材料极限使用温度和高温性能，提高表面辐射，抗氧化能力，防隔热一体化和能量疏导和耗散机制的主被动结合防热成为目前的研究热点和重点。近期的一些研究表面了改性碳/碳材料，陶瓷基复合材料，超高温陶瓷材料以及新型隔热材料在热防护领域的应用前景。

碳/碳复合材料具有强度高（尤其是高温强度稳定），抗热冲击性能好，耐烧蚀性好等特点。近年来，对抗氧化碳/碳复合材料的研究主要集中在基体材料和涂层设计及其系列化发展，进一步提高强度和使用温度，提升重复使用可靠性等方面。近期美国采用多种方法大幅度提高了2D碳/碳复合材料基材的层间和面内力学性能，对抗氧化涂层系统进行深入研究，取得显著进展。抗氧化碳/碳复合材料克服了碳/碳复合材料材料本身不耐氧化的缺点，而保留了直到2500℃的超高温条件下机械性能不降反升的有点。在碳/碳复合材料表面涂覆Hfc 等难熔碳化物，可大大减低碳/碳复合材料少时率，能承受更高燃气温度或延长时间。

超高温陶瓷材料及陶瓷基复合材料材料

超高温材料指的是在高温环境下（高于2000℃）以及反应气氛中（如原子氧环境）能够保持物理和化学稳定性的一种特殊材料。包括：硼化物，碳化物以及氮化物在内的一些过度金属化合物。由高熔点硼化物，碳化物以及氧化物组成的多元复合陶瓷材料被称为超高温陶瓷材料，在2000℃以上表现出很好的抗氧化特性。

隔热材料

纳米隔热材料与功能梯度材料。功能梯度材料是指构成材料的要素即组成和结构沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化，从而使材料的性能也呈梯度变化的一种新型材料，预期这种新型的材料将会成为航空航天器热防护系统新一代隔热材料的研究方向之一。（？）对隔热材料要求越来越高，主要的研究趋势有三个方面：

1.采用单一结构材料，提高增强材料的隔热性能，如采用

密度和热导率较低的空心玻璃纤维；提高基体材料的隔

热性能，一般可添加玻璃空心微球或酚醛玻璃微球；增

加复合材料中树脂基体的配比；

2.采用多层复合结构；

3.通过防热涂料和套装胶提高防护材料的隔热性能

防热材料向着:1.降低密度，减轻质量2.更高温度，更大适用范围3.不断改进工艺，提高性能和降低成本4.由短时高温超高温向长时高温有氧等方向发展