应用于高超音速飞行器的防热材料

2016年夏季学期《航空材料与制造》

课程论文

题目：应用于高超音速飞行器的防热材料

一、概述

高超音速飞行器：指的是飞行速度在五马赫（约6000km/h）以上的飞行物体，主要包括3大类：高超音速巡航导弹、高超音速飞机和航天飞机。高超音速飞行器所采用的超音速冲压发动机被认为是继螺旋桨和喷气推进之后的“第三次动力革命”。除了美国外，俄罗斯、中国、法国、日本、印度、澳大利亚等国也在积极地开展相关的科研实验，他们看重的正是其在军事应用方面的诱人前景。“防热材料”亦称“耐高温烧蚀材料”，是高超音速飞行器的必备材料之一，在火箭发动机喷管，飞行器的端头，外蒙皮，航天飞机机翼前缘，发动机叶片等部位都有着重要的应用。

二、高超音速飞行器所面临的技术瓶颈

被视为“下一代飞行技术”的高超音速飞行，因为其超过五倍音速的超高飞行速度，所面临技术难题是不言而喻的，要实现飞行器高超音速飞行，必须突破高超音速发动机技术和一体化设计技术，如飞行器机体和推进系统设计一体化、气动设计一体化、结构设计一体化等技术，以及材料与结构技术、高超音速空气动力技术、燃料高超音速推进系统、高超音速地面模拟和飞行试验技术等。其中最重要的我想还是飞行器动力问题和与之而来的材料使用问题的解决，这两个问题也正是高超音速飞行器在研发过程中所面临的关键性技术瓶颈，美国、俄罗斯、日本等国在这些方面的研究投入与日俱增，可见高超音速飞行器的开发已经成为了世界各个强国所瞄准的新一代国防技术开发前沿。

在现有的高超音速飞行器的研究实验中，绝大多是都是采用冲压发动机作为飞行器的动力来源。冲压发动机是一种利用迎面气流进入发动机后减速，使空气提高静压的一种空气喷气发动机。它通常由进气道（又称扩压器）、燃烧室、推进喷管三部组成。冲压发动机没有压气机（也就不需要燃气涡轮），所以又称为不带压气机的空气喷气发动机。按应用范围划分，冲压发动机分为亚音速、超音速、高超音速三类，应用于高超音速飞行器上的又叫做超燃冲压发动机。冲压发动机结构简单，重量轻，成本低。在飞行马赫数大于3的条件下使用,有较高的经济性。它的缺点是不能自行起动，须用其他发动机作为助推器，而且只有飞行器达到一定飞行速度后才能有效工作。为了在发动机工作前达到冲压发动机的工作速度，现有的两种可以采取的解决方式一种是通过有其他飞行器投放的助推滑翔式的起飞，如美国正在研制的X-43和X-51型飞行器。或者是采用一种涡轮喷气发动机和超燃冲压发动机组合的混合动力，“黑鸟”系列侦察机就是非常典型的例子。

超燃冲压发动机因为其独特的工作原理和使用条件，不仅对其发动机的一体化设计提出了很高的要求，同时在所用材料的性能方面也有着十分苛刻的要求。首先是燃烧室的温度可达2500℃以上，面临的压力和粒子冲刷强度也远远超过现在一般飞机所装配的涡扇发动机。其次是因为飞行器高速飞行时与空气中的粒子摩擦的产生大量的热量，而产生热量的部位主要集中在高超音速飞行器鼻锥，翼缘等重要部位，这些热量如果不能及时导走或加以防护就会对飞行器的内部结

构造成极大地威胁，从而出现一些极端的损坏事故的发生。无论是在发动机部位还是在飞行器的外壳结构材料，在长时间服役时都对其性能的稳定性提出了很高的要求。

三、高超音速飞行器上使用的高温材料

随着高超音速飞行器研制工作的发展，人们开始发现高温防热材料逐渐成为制约高超音速飞行器领域发展的关键性工程材料，为了保护飞行器内部构件的安全工作和超燃冲压发动机的正常运转，高超音速飞行器所使用的防热材料必须具备以下两个方面的作用：首先，保持良好的气动外形，可以确保飞行器保持正确的飞行姿势以及航行轨迹；其次，能够很好地隔绝外部热量，使飞行器的内部构件维持在正常的工作范围内。因此，为了使防热材料能够在高温、高压和高速气流、粒子流冲刷的苛刻环境下正常使用，研究防热材料在苛刻环境下的宏观气动外形及内部微观组织的演变过程，以此来推断防热材料的烧蚀行为及烧蚀机理就显得尤为重要。

现有的防热材料主要包括难熔金属材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料和石墨及其复合材料等。每种材料体系都有其各自的缺点与不足：难熔金属材料主要代表是钨渗铜复合材料，其高温强度与抗热震问题存在一定的冲突，且成本高、密度大、难以加工和抗氧化性差等缺点，都严重限制了其应用；能够在2000℃以上氧化氛围中使用的陶瓷和陶瓷基复合材料并不多，现研究最多的是碳化物和硼化物，但他们的抗氧化性能相对较差，材料的本质脆性使其断裂韧性较低，且加工难度较大；碳/碳复合材料在高温环境下自身的抗氧化性能和耐烧蚀性能较差，因此国内外研究学者将碳/碳复合材料的改性研究作为该材料体系的研究重点，通常采用难熔碳化物如SiC、HfC、TaC、NbC、ZrC 等涂层来提高其抗氧化能力，但是由于性能匹配问题，涂层系统在1700℃以上的使用效果并不理想，同时碳/碳复合材料制作工艺比较复杂，成本较高也限制了其应用；石墨渗金属材料体系中研究最深入的是石墨渗铜复合材料，但研究发现铜的渗入并没有起到提高复合材料耐烧蚀性能的效果。但石墨材料本身仍具有优异的性能，如良好的热膨胀性能、优良的化学稳定性、优异的高温力学性能以及耐烧蚀性能等，对其进行深入的科学研究仍然具有非常重要的工程意义。

在防热材料的研究和应用领域中，难熔金属及其复合材料由于其高熔点、耐高温以及优良的耐腐蚀性能等优点得到最早和最广泛的关注。在耐高温难熔金属领域中主要涉及Nb、Mo、Tc、Ru、Hf、Ta、W、Re、Os 和Ir 等，研究和应用最广的难熔金属是钨和铼等，熔点和密度是衡量难熔金属是否适合作为防热材料使用的关键性因素。金属钨（W）在所有难熔金属中具有最高的熔点，熔点可以达到3410℃，但同样存在较大的缺点，其密度较大（高达19.3 g•cm-3），且在较低温度的环境下呈现出一定的脆性，强度降低，使其作为结构材料受到一定程度的限制。为了改善金属钨的使用性能，扩大其使用领域，目前得到广泛应用的是固体火箭发动机的钨渗铜喉衬。钨渗铜喉衬是指将钨粉在一定条件下烧结制得多孔结构的钨骨架，然后在高温环境下将熔融金属铜浸渗入钨骨架中，制得钨渗铜喉衬；二者本质上是一种复合材料，一种二元“假合金”。研究表明钨骨架