輕質(zhì)碳-酚醛防熱材料缺陷類型及影響分析

張 璇，董 薇，馬 寧，陶積柏，孫 利，張鵬飛，宮 頊，陳維強(qiáng)

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

0 引言

我國(guó)空間站運(yùn)行、載人登月及月球基地建設(shè)、載人火星探測(cè)及小行星探測(cè)等任務(wù)需求，對(duì)載人飛船返回艙熱防護(hù)系統(tǒng)的抗燒蝕能力提出了更高要求?；谳d人登月任務(wù)的新一代載人飛船返回艙再（進(jìn)）入速度遠(yuǎn)超過低地球軌道再入航天器，再（進(jìn)）入時(shí)將承受更高的溫度、熱流密度、總加熱量和過載，其復(fù)雜且惡劣的氣動(dòng)熱環(huán)境對(duì)熱防護(hù)材料提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)材料的耐溫極限和耐久性、熱屏蔽性能和長(zhǎng)時(shí)間加熱條件下的防/隔熱性能提出了苛刻的要求。因此研制在如此嚴(yán)苛條件下服役的熱防護(hù)系統(tǒng)[1]及材料十分必要。

為滿足新一代載人飛船返回艙再（進(jìn)）入時(shí)的熱防護(hù)要求，在酚醛浸漬碳燒蝕體（phenolic impregnated carbon ablator,PICA）輕質(zhì)防熱材料研制技術(shù)基礎(chǔ)上[2-6]，通過改進(jìn)碳纖維增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)形式，增加纖維表面SiO涂層，引入纖維表面界面增強(qiáng)機(jī)制，采用氣凝膠成型浸漬方法和選用改進(jìn)型酚醛樹脂等措施，研制了一種新型的纖維增強(qiáng)納米多孔輕質(zhì)耐燒蝕材料。該材料具備大尺寸整體成型、結(jié)構(gòu)形式可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，且經(jīng)力、熱、風(fēng)洞燒蝕等試驗(yàn)考核，滿足深空探測(cè)的熱防護(hù)任務(wù)需求。截至目前，伴隨載人項(xiàng)目的開展，已完成了多發(fā)返回艙飛行任務(wù)，相關(guān)熱防護(hù)系統(tǒng)多有文獻(xiàn)報(bào)道，但針對(duì)熱防護(hù)材料內(nèi)部缺陷及其影響分析的研究仍屬空白。隨著纖維增強(qiáng)納米多孔輕質(zhì)耐燒蝕材料的研制應(yīng)用，大尺寸、曲面整體成型的防熱產(chǎn)品得到應(yīng)用，其內(nèi)部缺陷識(shí)別技術(shù)研究以及判定準(zhǔn)則的確定亟待研究。

本文實(shí)際制備并考察了大尺寸、扇形曲面的纖維增強(qiáng)納米多孔輕質(zhì)耐燒蝕材料的組成、微觀形貌狀態(tài)，分析了材料成型工藝過程可能形成的缺陷類型以及材料內(nèi)部的復(fù)合材料典型缺陷特點(diǎn)，并針對(duì)材料性能指標(biāo)參數(shù)和形貌狀態(tài)進(jìn)行缺陷類型成因及特點(diǎn)分析；最后，歸納出該類材料各缺陷類型的檢測(cè)方法及判據(jù)。

1 設(shè)計(jì)思路

20世紀(jì)80年代，NASA Ames研究中心熱防護(hù)系統(tǒng)與材料研制團(tuán)隊(duì)通過獨(dú)創(chuàng)的浸漬技術(shù)，控制酚醛樹脂浸漬量，將PICA的密度調(diào)控在0.224～0.321 g/cm3之間，并可以保證酚醛樹脂在碳基體內(nèi)分布均勻[7]。該超輕質(zhì)碳-酚醛燒蝕材料具備低密度、低熱導(dǎo)率的特點(diǎn)，耐熱流極限1500 W/cm2[8-9]。

纖維增強(qiáng)納米多孔輕質(zhì)耐燒蝕材料（NF材料）在PICA研制基礎(chǔ)上，繼承了PICA的耐熱和抗燒蝕特性，但從材料設(shè)計(jì)角度改變了材料基體相和增強(qiáng)相的微觀結(jié)構(gòu)：

1）基體相。為了實(shí)現(xiàn)燒蝕材料的輕量化和對(duì)密度的精確控制并降低材料成本，NF材料設(shè)計(jì)并合成了酚醛樹脂氣凝膠作為基體相。酚醛樹脂氣凝膠除了具有常規(guī)致密酚醛樹脂的耐熱、抗氧化性能以及氣凝膠的一般特點(diǎn)外，在400 ℃以上的溫度下，可釋放熱解氣，確保出現(xiàn)質(zhì)量引射效應(yīng)（物質(zhì)消耗散熱），使得燒蝕表面對(duì)流熱流降低，并熱解形成碳?xì)饽z，與增強(qiáng)相碳纖維一起大量向外輻射熱量。由于氣凝膠基體內(nèi)的固相熱傳導(dǎo)和氣體熱傳導(dǎo)途徑受到氣凝膠內(nèi)部特殊的微孔/介孔結(jié)構(gòu)影響，使得傳輸路徑復(fù)雜化，尤其是在氣凝膠顆粒之間頸部受到更強(qiáng)限制與制約，而輻射傳熱則隨著材料密度降低而劇烈下降，所以，酚醛樹脂及熱解碳?xì)饽z具有極低的熱導(dǎo)率，在廣泛的溫度范圍內(nèi)具有良好的隔熱性能。

2）增強(qiáng)相。選擇防熱材料廣泛使用的長(zhǎng)纖維三維結(jié)構(gòu)體，以提高氣凝膠基體相的力學(xué)性能，并提供維形和在燒蝕過程中提高氣凝膠基體抗氣流剪切的能力。長(zhǎng)纖維三維結(jié)構(gòu)體是將纖維無紡織物及纖維編織布經(jīng)多重交替疊層針刺形成的三維纖維預(yù)制體。纖維在材料面內(nèi)方向的纖維無紡織物層內(nèi)隨機(jī)分布，在纖維編織布層排布方式可設(shè)計(jì)，而在厚度方向?qū)訝罘植嫉慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得纖維預(yù)制體厚度方向具有更低的熱導(dǎo)率；工藝上可以通過改變纖維成分、含量和針刺工藝參數(shù)，對(duì)三維纖維預(yù)制體的成分、密度、孔隙率和熱導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)控?？梢允狗罒岵牧显跓崃鞣较蚓哂懈玫母魺岷推帘螝怏w能力，實(shí)現(xiàn)抑制熱量和氣體向防熱材料內(nèi)部傳輸，以取得防/隔熱效果；并平衡和降低局部熱流差異，降低輕質(zhì)燒蝕材料表面燒蝕不同步后退的風(fēng)險(xiǎn)，提高燒蝕外形的穩(wěn)定性。

通過以上的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)形成我們最終所需要的密度0.3～0.8 g/cm3、熱導(dǎo)率低于0.2 W/(m·K)、室溫～100 ℃溫度范圍內(nèi)比熱容高于1.0 J/(g·K)的NF防熱材料，且力學(xué)性能優(yōu)異，抗壓強(qiáng)度不小于2.5 MPa。

2 制備方法

2.1 增強(qiáng)體材料

纖維增強(qiáng)體使用T系列碳纖維預(yù)制體，結(jié)構(gòu)形式見圖1，由纖維層疊放，鋼針穿刺形成三維連續(xù)結(jié)構(gòu)體；表面抗氧化涂層選用無機(jī)凝膠材料；纖維界面增強(qiáng)選用環(huán)氧樹脂；孔隙內(nèi)氣凝膠填充選用改性酚醛樹脂。

圖1 三維纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)Fig.1 Preformed three-dimensional fiber structure

2.2 試件尺寸及構(gòu)型

典型缺陷試件為尺寸300 mm×300 mm×60 mm的試驗(yàn)件；

典型大尺寸、曲面整體成型產(chǎn)品試驗(yàn)件為小弧面內(nèi)半徑1500 mm、大弧面內(nèi)半徑1890 mm、母線夾腳18°、壁厚62 mm的扇形弧面產(chǎn)品。

2.3 制造工藝

纖維增強(qiáng)納米多孔輕質(zhì)耐燒蝕材料的制備工藝包含3個(gè)階段：

1）纖維表面SiO涂層抗氧化增強(qiáng)

將試驗(yàn)件完全浸漬于無機(jī)凝膠材料溶液內(nèi)，經(jīng)過加熱內(nèi)部分子結(jié)合，完成溶液凝聚反應(yīng)；再采用加熱設(shè)備進(jìn)行烘干脫溶劑處理，實(shí)現(xiàn)SiO團(tuán)聚物覆蓋纖維表面，完成纖維表面的抗氧化增強(qiáng)。

2）結(jié)構(gòu)骨架化增強(qiáng)

將試驗(yàn)件充分浸漬于改性環(huán)氧樹脂，經(jīng)加熱干燥—樹脂固化工藝過程，完成試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)骨架化增強(qiáng)處理。

3）防熱結(jié)構(gòu)凝膠化反應(yīng)

按照?qǐng)D2流程，將試驗(yàn)件浸漬于所配置的改性酚醛樹脂凝膠溶液內(nèi)，經(jīng)浸漬水解—溶液內(nèi)分子縮聚—凝膠反應(yīng)后，進(jìn)行干燥處理得到氣凝膠，最終完成纖維增強(qiáng)納米多孔材料試驗(yàn)件的制備。

圖2 氣凝膠制備流程示意圖Fig.2 The flow diagram of aerogel preparation

3 微觀形貌和材料性能

3.1 NF材料微觀形貌

通過電鏡掃描，觀察NF材料的微觀形貌，在其凝膠化反應(yīng)后，NF材料的微觀形貌呈現(xiàn)出一種霧凇結(jié)構(gòu)形式（參見圖3），不同放大倍數(shù)下的NF材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)見圖4所示。

圖3 NF材料內(nèi)部類霧凇結(jié)構(gòu)形式Fig.3 Morphology of NF material and rime on tree in nature

圖4 不同放大倍數(shù)下NF材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 Internal structure of NF materials at different magnification factors

獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)決定了NF材料具有低密度、低熱導(dǎo)率、低燒蝕量和高熱阻塞效應(yīng)的特點(diǎn)。連續(xù)纖維編織成型使得NF材料可以進(jìn)行異形結(jié)構(gòu)近凈尺寸成型，保證了材料結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和抗失效強(qiáng)度，能夠滿足深空探測(cè)各種再入地球飛行器、星際探測(cè)任務(wù)的探測(cè)器燒蝕防熱結(jié)構(gòu)使用要求。

3.2 NF材料性能考核方法

抗燒蝕性能：按照QJ 2049—1991《常壓電弧等離子體射流駐點(diǎn)燒蝕試驗(yàn)方法》[10]進(jìn)行駐點(diǎn)考核試驗(yàn)，驗(yàn)證材料的抗燒蝕能力。

熱導(dǎo)率檢測(cè)：按照GB/T 10295—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定 熱流計(jì)法》[11]測(cè)試試驗(yàn)件溫差變化，計(jì)算其熱導(dǎo)率。

比熱容檢測(cè)：按照GJB 330A《固體材料60～2773 K比熱容測(cè)試方法》[12]，將試樣懸掛于試驗(yàn)爐中，加熱到設(shè)定溫度后，記錄量溫計(jì)數(shù)值變化情況，計(jì)算試樣平均比熱容。

壓縮性能：按照GB/T 1448—2005《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》[13]，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定材料的壓縮應(yīng)力和壓縮彈性模量。

3.3 NF材料性能特點(diǎn)

根據(jù)NF材料的組成特點(diǎn)，其樹脂基體及纖維增強(qiáng)相均具備一定的可設(shè)計(jì)性。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，NF材料具備以下性能特點(diǎn)：

1）耐高溫能力，可承受溫度超過3000 ℃的熱流沖擊，經(jīng)超過8 MW/m2的風(fēng)洞考核，表面溫度達(dá)到3300 ℃，背溫低于150 ℃；

2）較高的升華潛熱能力[14]；

3）高溫條件下具備一定的抗剝蝕能力，經(jīng)低熱流超過800 s的風(fēng)洞考核，后退量小于5 mm；

4）抗沖擊過程中能產(chǎn)生大量的熱解氣，可帶走熱量，大大增強(qiáng)了材料的熱阻能力；

5）低熱導(dǎo)率，熱導(dǎo)率低于0.2 W/(m·K)；

6）高比熱容，比熱容（室溫～100 ℃）高于1.0 J/(g·K)；

7）具備一定的力學(xué)性能，壓縮強(qiáng)度不低于2.5 MPa；

8）低密度、輕質(zhì)，且密度具備可設(shè)計(jì)性，最低密度值可達(dá)0.32 g/cm3。

4 材料缺陷類型及影響

NF材料具有較強(qiáng)的組分調(diào)控能力和微結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)能力，并且可整體成型，尺寸覆蓋面廣、構(gòu)型可設(shè)計(jì)。然而，NF材料的成型過程較復(fù)雜，在大尺寸產(chǎn)品制作過程中，需要經(jīng)過多次的液相浸漬、高溫凝膠、氣液分離以及結(jié)構(gòu)成型。

在一系列的工藝成型過程中，材料每一階段的成型質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品最終的性能都存在至關(guān)重要的影響，尤其需要對(duì)材料內(nèi)部的缺陷進(jìn)行定量檢測(cè)和判別?？v觀國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究報(bào)道，多關(guān)注于材料本身的改性研究等，尚沒有針對(duì)該類型材料的缺陷檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)范。因而，基于NF材料開展缺陷機(jī)制及檢測(cè)研究迫在眉睫。

4.1 NF材料內(nèi)部缺陷分析

4.1.1 缺陷類型

從材料結(jié)構(gòu)整體分析，纖維樹脂復(fù)合材料常見缺陷類型包含孔洞、夾雜、裂紋、密度不均勻[15]；從樹脂基體凝膠反應(yīng)過程看，主要包含氣凝膠凝集反應(yīng)過程未完成，凝膠溶劑置換不徹底；從大尺寸、超厚、非平板件的制備過程來看，氣凝膠填充過程存在未充分浸潤(rùn)以及填充纖維增強(qiáng)骨架孔隙不均勻的風(fēng)險(xiǎn)。

綜合以上分析，纖維增強(qiáng)相填充多孔納米結(jié)構(gòu)樹脂的NF材料可能存在的主要缺陷類型為5種：孔洞；夾雜；密度不均勻；氣凝膠未成形；溏心缺陷。

4.1.2 缺陷形成機(jī)理分析

從NF材料成型工藝過程、纖維增強(qiáng)體構(gòu)型及組成材料等方面研究分析，確定各缺陷形成的主要原因如下：

1）孔洞：纖維預(yù)制體成型過程中，纖維絲束局部區(qū)域缺失或者預(yù)制體狀態(tài)受到物理的穿刺損傷，造成最終材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部包含孔洞； NF材料制備過程中，受到物理的沖擊損傷，造成孔洞缺陷。

2）夾雜：從材料研制過程多批次的檢測(cè)結(jié)果來看，NF材料內(nèi)部主要包含金屬屑、金屬絲等夾雜物。其來源主要在于三維預(yù)制體成型過程防護(hù)不當(dāng)，以及NF材料樹脂基體配置過程中防護(hù)不當(dāng)。

3）密度不均勻：該類缺陷的形成主要包含2類，一類是纖維骨架本身的密度不均勻，區(qū)域性的纖維絲束缺少或密集；另一類是大尺寸、異形構(gòu)件成型過程中，區(qū)域性的樹脂氣凝膠未浸潤(rùn)或因重力作用形成的凝膠梯度。

4）氣凝膠未成形：氣凝膠成型過程（參見圖2）中，氣凝膠制備需使用前驅(qū)體經(jīng)過溶膠—凝膠化學(xué)反應(yīng)，生成納米三維網(wǎng)絡(luò)后經(jīng)過干燥由濕凝膠轉(zhuǎn)化為氣凝膠[13]。在材料整體尺寸數(shù)倍放大后，可能會(huì)由于內(nèi)部溫度控制不到位造成大分子凝集未完成，從物理表征（色澤、質(zhì)感）上與反應(yīng)完全的凝膠有所區(qū)別。

5）溏心缺陷：即在NF材料內(nèi)部存在質(zhì)軟含溶劑區(qū)域，其主要成因在于材料制備過程中多次的液相浸漬、高溫凝膠、氣液分離，存在溶劑置換未完全，部分溶劑留存在產(chǎn)品內(nèi)部，形成局部軟質(zhì)、濕潤(rùn)區(qū)域。

4.2 缺陷影響分析

NF材料的主要功能是：在再入返回過程中，防熱材料燒蝕帶走大量的熱量，同時(shí)保障內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部?jī)x器設(shè)備在一定的溫度范圍內(nèi)。除燒蝕性能外，其主要性能指標(biāo)還包含密度、熱導(dǎo)率、比熱容以及壓縮性能。目前，NF材料已進(jìn)行了多批次的生產(chǎn)及檢測(cè)，可見的主要缺陷為密度不均勻，可通過無損探傷檢測(cè)方法進(jìn)行判讀；大尺寸的孔洞缺陷肉眼可見，能通過測(cè)量工具直接做出合格與否的判斷；大量的金屬夾雜對(duì)材料的熱導(dǎo)率、比熱容影響較大，對(duì)比金屬材料熱導(dǎo)率、比熱容參數(shù)可獲知影響程度；氣凝膠未成形從凝膠表面色澤可初判，再經(jīng)過進(jìn)一步的檢測(cè)分析手段進(jìn)行確認(rèn)，但其物理表征形式主要為密度不均；溏心缺陷可識(shí)別的物理表征也在于密度不均。綜合以上分析，各種缺陷類型可通過密度均勻性及一些典型性能檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，為此，我們針對(duì)不同密度的NF材料進(jìn)行了熱導(dǎo)率、比熱容以及壓縮性能檢測(cè)：分別采用GB/T 10295—2008、GJB 330A、GB/T 1448—2005檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料進(jìn)行取樣檢測(cè)，熱導(dǎo)率、比熱容每組3個(gè)樣取均值，壓縮性能每組5個(gè)樣取均值，具體數(shù)據(jù)見表1。表中的性能數(shù)據(jù)均為計(jì)算得到的測(cè)試均值，其中熱導(dǎo)率的測(cè)試溫度范圍為室溫～50 ℃，比熱容的測(cè)試溫度范圍為室溫～100 ℃。

表1數(shù)據(jù)顯示，材料密度越大，熱導(dǎo)率越大，而比熱容呈下降趨勢(shì)；壓縮性能隨密度增長(zhǎng)呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。NF材料的基體相和增強(qiáng)相組分不同時(shí)，所形成的材料從密度值上也有所不同。依據(jù)材料密度可分4級(jí)，包含0.3～0.38、0.36～0.44、0.48～0.56、0.56～0.64 g·cm-3，同一級(jí)密度范圍內(nèi)的NF材料成型過程、組分完全一致。表1數(shù)據(jù)中，密度為0.58和0.62 g·cm-3的材料的熱性能有所波動(dòng)，其原因可能是在多階段的成型過程中力熱相關(guān)組分對(duì)密度值的貢獻(xiàn)有所偏差，影響了測(cè)試結(jié)果，但均滿足組分調(diào)整后的性能改善結(jié)果。

表1 不同密度NF材料性能測(cè)試匯總表Table 1 Performance test of NF materials of different densities

上述性能考核中，未對(duì)氣凝膠未成形缺陷及溏心缺陷進(jìn)行考核，因這2種缺陷對(duì)材料本身的功能和防熱性能有致命的影響：氣凝膠未成形將阻礙防/隔熱所需的大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的順利構(gòu)建，嚴(yán)重削弱材料耐燒蝕性能；溏心缺陷引入未置換的溶劑，遇高溫易燃，將造成材料內(nèi)部崩塌，防熱結(jié)構(gòu)可能瞬間失效。因次，對(duì)這2種缺陷類型需主要從工藝改進(jìn)及工藝優(yōu)化角度進(jìn)行控制，檢測(cè)方法也需進(jìn)一步細(xì)化。

4.3 缺陷控制要求

由于耐燒蝕材料的缺陷分析及標(biāo)準(zhǔn)尚未有指導(dǎo)性的文件生成，我司暫對(duì)NF材料內(nèi)部常見缺陷類型依據(jù)返回艙防熱層的控制要求確定如下：

1）NF材料屬于多孔結(jié)構(gòu)，孔徑呈雙峰分布，纖維間為微米級(jí)孔隙，氣凝膠為納米結(jié)構(gòu)，防熱層表面或內(nèi)部存在大尺寸孔洞，對(duì)材料氣動(dòng)面存在影響，故依據(jù)返回艙設(shè)計(jì)要求，確定防熱層內(nèi)部孔洞缺陷尺寸的直徑不能超過3 mm。

2）因夾雜物主要為金屬摻雜，金屬的高導(dǎo)熱性與防熱功能要求矛盾，大量夾雜物的存在將嚴(yán)重降低防熱材料的隔熱性能，應(yīng)依據(jù)射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，確定防熱層內(nèi)部不能出現(xiàn)直徑＞3 mm的圓形夾雜物或長(zhǎng)度＞10 mm的條形夾雜物（長(zhǎng)寬比≥3的定義為條形夾雜；長(zhǎng)寬比＜3的定義為圓形夾雜）。

3）密度均勻性檢測(cè)指標(biāo)要求：密度均勻，直徑＞50 mm的密度超差區(qū)域均須識(shí)別、標(biāo)識(shí)。全部區(qū)域檢測(cè)要求Ⅱ類區(qū)面積小于可探面積的10%；不允許出現(xiàn)Ⅲ類缺陷。其中規(guī)定：Ⅰ類區(qū)為無缺陷區(qū)；Ⅱ類區(qū)為輕度的疏松缺陷區(qū)（密度值偏差在一個(gè)定量值以內(nèi)）；Ⅲ類區(qū)為比較嚴(yán)重的疏松缺陷（密度值偏差值大于定量值）。

4）產(chǎn)品尺寸范圍內(nèi)區(qū)域不允許存在凝膠反應(yīng)失效區(qū)域。

5）不允許出現(xiàn)溏心缺陷。

4.4 NF材料缺陷識(shí)別

4.4.1 NF材料缺陷檢測(cè)方法

綜合射線檢測(cè)是檢測(cè)NF系列防熱材料產(chǎn)品內(nèi)部缺陷最直觀和準(zhǔn)確的檢測(cè)手段。當(dāng)X射線透照NF系列防熱材料產(chǎn)品時(shí)，由于產(chǎn)品內(nèi)部不均勻性、孔洞、夾雜物對(duì)透照方向的X射線能量產(chǎn)生不同程度的吸收和衰減，將在底片上形成具有一定灰度差值的影像[16]。通過評(píng)價(jià)影像灰度差值即可完成對(duì)NF系列防熱材料產(chǎn)品內(nèi)部缺陷的識(shí)別。

我司制定了NF材料的無損檢測(cè)方法，并進(jìn)行以下幾方面研究：

1）應(yīng)用射線檢測(cè)技術(shù)定性、定量評(píng)價(jià)NF材料產(chǎn)品的內(nèi)部缺陷研究，包括生成了NF材料標(biāo)準(zhǔn)密度圖譜；

2）像質(zhì)計(jì)（材料檢測(cè)靈敏度校驗(yàn)塊）、密度試塊的設(shè)計(jì)與制作；

3）透照參數(shù)的推導(dǎo)與驗(yàn)證；

4）底片灰度值與內(nèi)部缺陷的相互關(guān)系研究。

4.4.2 輔助測(cè)試方法

1）微觀形貌：采用德國(guó)蔡司公司Swiss Supra 55VP掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料的微觀形貌。

2）微量元素比例檢測(cè)：采用能譜成分半定量檢測(cè)方法分析材料成分比例關(guān)系是否滿足理論值。

4.5 缺陷檢測(cè)結(jié)果

通過射線檢測(cè)，目前已生產(chǎn)的多批次NF材料中，常見夾雜、孔洞、密度不均勻缺陷。圖5、圖6為采用X射線檢測(cè)大尺寸扇形曲面試驗(yàn)件，射線底片上所呈現(xiàn)的缺陷影像。其中：圖5為金屬夾雜；圖6為人為預(yù)置的低密度區(qū)域。

圖5 金屬夾雜缺陷Fig.5 Metal inclusion defects

圖6 預(yù)制密度不均勻缺陷底片實(shí)物Fig.6 Prefabricated product with non-uniform density defect

針對(duì)氣凝膠未完全反應(yīng)，主要采用X射線進(jìn)行初步判定，再進(jìn)行電鏡掃描對(duì)比微觀霧凇形貌狀態(tài)，結(jié)合能譜成分半定量檢測(cè)微量元素成分比例，通過定性和定量雙措施判定產(chǎn)品的合格性。

5 結(jié)束語

本文給出了自行制備的NF材料的微觀形貌和性能測(cè)試結(jié)果，對(duì)該種材料的缺陷類型及形成機(jī)理，以及缺陷對(duì)材料性能的影響進(jìn)行了分析，并提出缺陷控制要求和無損檢測(cè)識(shí)別方法。基于本文所做的研究，得出如下結(jié)論：

1）纖維增強(qiáng)納米多孔輕質(zhì)耐燒蝕材料的微觀結(jié)構(gòu)及性能測(cè)試結(jié)果符合新材料的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了低密度、低熱導(dǎo)率、耐高熱流燒蝕等特性。

2）所提出的輕質(zhì)碳-酚醛防熱材料的性能檢測(cè)及缺陷檢測(cè)方法，能清楚地辨別出相應(yīng)的缺陷，滿足防熱材料檢驗(yàn)的需求；不但可用于指導(dǎo)PICA類防熱材料的成型過程控制及工藝改進(jìn)研究，也可直接作為大尺寸、整體成型的氣凝膠防隔熱材料的檢測(cè)基礎(chǔ)。

3）通過性能測(cè)試研究，發(fā)現(xiàn)NF材料隨著密度的增長(zhǎng)，熱導(dǎo)率越來越大，比熱容下降，力學(xué)性能增強(qiáng)。在飛行器方案設(shè)計(jì)初期，可依據(jù)不同熱防護(hù)性能需求，選取對(duì)應(yīng)密度區(qū)間的防熱材料。

后續(xù)將進(jìn)一步深入研究缺陷對(duì)性能的影響，從數(shù)理模型、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等角度剖析，量化缺陷程度對(duì)性能的影響量級(jí)，同時(shí)，從缺陷形成機(jī)理研究出發(fā)，優(yōu)化工藝方法，改進(jìn)工藝措施，避免缺陷的形成。