深空環(huán)境輕質(zhì)防熱材料燒蝕性能研究

梁 馨，方 洲，程 雷，羅麗娟，賀朝暉，吳永智

（航天材料及工藝研究所, 北京 100076）

引 言

在深空環(huán)境中，探測器在進入行星大氣過程中，高速流動的氣體與飛行器表面強烈摩擦，形成嚴酷的氣動加熱環(huán)境，產(chǎn)生大量熱量，將會導致飛行器被燒毀。熱防護材料能夠阻止熱量傳入探測器內(nèi)部，從而維持探測器內(nèi)人員及設備的正常工作，是決定探測成敗的關鍵技術之一。防熱材料可分為燒蝕型和非燒蝕型，其中燒蝕防熱材料是通過材料在高溫下發(fā)生的物理化學反應帶走熱量，并通過一定的熱耗散機制保證探測器內(nèi)部溫度在要求范圍內(nèi)。國內(nèi)外大多數(shù)空間探測器都采用燒蝕型防熱材料，根據(jù)不同探測器進入或再入條件的不同，燒蝕材料的性能要求也不同。中國探測器根據(jù)不同的探測任務，其氣動加熱環(huán)境存在很大不同，近地軌道返回的探測器熱流狀態(tài)相對較低，時間較長；而月地軌道返回的探測器則由于返回軌道不同，氣動加熱除低熱流長時外，還需兼顧高熱流短時，對熱防護材料提出了更高要求。

未來的深空探測任務中，更傾向于在一次探測中實現(xiàn)更多探測目標，發(fā)射時的載荷較大，因此深空探測器的輕量化要求非常高，有效載荷的分配也十分嚴格。而減輕防熱結構重量對于有效載荷的利用至關重要，因此對防熱材料提出了新要求，即在輕量化的苛刻要求情況下實現(xiàn)材料良好的燒蝕防隔熱性能。

蜂窩增強防熱材料采用密度較低的蜂窩結構作為增強體，是實現(xiàn)輕質(zhì)防熱材料的一種途徑，而蜂窩結構內(nèi)部的材料具有多維度設計特征，可賦予防熱材料良好的防隔熱性能和輕量化特征。除此以外，蜂窩增強輕質(zhì)防熱材料具有較高的安全性和可靠性，國內(nèi)外多種探測器采用這種結構形式的材料作為防熱材料[1-14]。

1 試驗部分

1.1 材料部分

輕質(zhì)燒蝕防熱材料A（蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料）、密度約為0.48 g/cm3，自行研制。

輕質(zhì)燒蝕防熱材料B（蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料）、密度約為0.48 g/cm3，自行研制。

材料A與B配方組成不同。

輕質(zhì)燒蝕防熱材料C，材料組成同A，但無蜂窩結構。

1.2 測試方法

采用電弧風洞燒蝕試驗對材料的防熱性能進行考核，考察材料的表面燒蝕狀態(tài)。電弧風洞燒蝕試驗條件為：熱流密度6 000 kW/m2。試驗后對防熱材料燒蝕碳層進行微觀形貌和XRD（X-Ray Diffraction）分析，并對燒蝕后材料內(nèi)部距離燒蝕表面不同深度的材料進行密度測試，用于表征防熱材料內(nèi)部不同區(qū)域特征。

采用DqESJ7[15]對材料A和材料C的拉伸模量和泊松比進行測試，采用DqESJ19-99[16]對材料A和材料C的線膨脹系數(shù)進行測試。

2 結果與分析

2.1 輕質(zhì)材料燒蝕形貌分析

圖1為材料A和材料B在6 000 kW/m2下的燒蝕形貌，可見材料A碳層完整致密，無宏觀剝蝕。而同一密度的材料B，在燒蝕后則出現(xiàn)碳層完全被剝蝕掉的情況，可見，同一材料密度，不同的材料在同一燒蝕狀態(tài)下，可能會表現(xiàn)出完全不同的燒蝕行為。碳層能否在相對高的熱流狀態(tài)下保持完整，與其碳層結構和組成有很大關系，而碳層結構和組成與材料組成設計密切相關。由此可見材料組成設計對其燒蝕性能及燒蝕形貌的影響至關重要，對于重量要求較為苛刻的防熱結構，根據(jù)其使用工況進行成分合理設計，才能達到防熱效果與結構重量的優(yōu)化，實現(xiàn)有效載荷的充分利用。

圖1 材料A和B的燒蝕形貌Fig. 1 Ablation graph of materials A and B

將燒蝕后的材料進行解剖，并對材料內(nèi)部距離燒蝕面不同深度的位置進行微觀表征，結果見圖2所示。燒蝕表面大部分為破損的空心微球以及燒蝕后形成的產(chǎn)物，無原始樹脂殘留；而在距離燒蝕表面較遠的原始層上，完整的空心微球和樹脂基體都清晰可見。燒蝕過程中，高溫使得樹脂基體全部分解，生成小分子部分離開燒蝕碳層，部分碳化后留在燒蝕碳層內(nèi)，和空心微球碳化產(chǎn)物結為一體，從微觀形貌上可以看出碳層的致密程度小于原始層。其原因主要為高溫使得材料發(fā)生明顯的碳化熱解，材料燒蝕表面溫度迅速升高，燒蝕材料發(fā)生物理化學反應的速度加快，熱解氣體逸出速度增加，使得碳層的孔隙相對較多。

圖2 材料A燒蝕后內(nèi)部微觀形貌Fig. 2 Ablation micrograph of material A after ablation

2.2 輕質(zhì)材料燒蝕表面成分分析

對燒蝕材料表面的燒蝕碳層進行XRD分析，結果見圖3所示。可見碳層表面出現(xiàn)SiO2和SiC，其中，SiO2為燒蝕材料原材料中的玻璃態(tài)組分，而SiC則是在燒蝕反應中生成的產(chǎn)物。在6 000 kW/m2燒蝕狀態(tài)下，表面溫度可達2 300 ℃，材料A中所包含的C元素和Si元素發(fā)生相互反應，生成穩(wěn)定的SiC晶體。

圖3 材料A燒蝕后內(nèi)部XRD分析Fig. 3 XRD analysis of material A after ablation

生成SiC晶體的反應為吸熱反應，這一過程可以進一步消耗氣動加熱的熱量；SiC晶體產(chǎn)物硬度大，使得表面碳層強度較高，這對于維持碳層在高溫下的穩(wěn)定性具有一定作用；另外SiC晶體具有一定的抗氧化性，基本不與O2發(fā)生化學反應，在一定程度上也減少了材料的燒蝕后退。以上三方面對燒蝕防熱均為利好因素，由此可見，對燒蝕材料的成分進行合理設計，充分利用燒蝕過程的物理化學反應機理，可更大程度提高材料的燒蝕防隔熱性能，有效利用防熱結構重量，提高探測器的有效載荷。

2.3 輕質(zhì)材料燒蝕后內(nèi)部密度變化分析

對燒蝕后的材料沿深度方向取樣，采用減量法對材料取樣進行密度測量，圖3為材料密度與距燒蝕表面距離的變化曲線。根據(jù)材料密度的不同，對碳化層、熱解層和原始層進行大致區(qū)分。由于熱量是從材料燒蝕表面向內(nèi)部傳遞，存在一定的溫度梯度，材料發(fā)生反應也是從燒蝕表面開始，因此材料密度的變化直接反映了材料發(fā)生物理化學變化所產(chǎn)生的質(zhì)量損失情況，在密度變化較大的區(qū)域也是物理化學反應差別較大的區(qū)域，用此方法分辨碳化層、熱解層和原始層比目視法更加準確。

從圖4可見，燒蝕表面碳層密度略高于內(nèi)部，這與燒蝕表面形成致密的SiC有關，碳層的密度小于原始層，這與微觀形貌觀察得到的結論一致。6 000 kW/m2的熱流狀態(tài)使得材料燒蝕表面溫度迅速升高，燒蝕材料發(fā)生物理化學反應的速度大大加快，熱解氣體逸出速度也大大增加，使得碳層的孔隙相對較多。另外，在材料發(fā)生碳化沉積的過程中，部分物質(zhì)在高溫下更容易發(fā)生化學鍵斷裂，生成更小分子，很難形成可以留在燒蝕表面的碳化產(chǎn)物，所以整體碳層的致密性并不是很高。碳層和熱解層厚度較小，這與燒蝕時間長短以及材料的隔熱性能有關，在燒蝕時間較短的情況下，若是材料的隔熱性能比較好，則熱量尚未傳到材料內(nèi)部較深處，所以達到熱解溫度的材料較少，熱解層較薄。材料A的熱解層厚度為1 mm左右，可見材料A的隔熱性能良好。

圖4 材料A燒蝕后內(nèi)部密度變化分析Fig. 4 Density changes of material A after ablation along the depth direction

在外界駐點熱流作用下，燒蝕材料首先發(fā)生熱解反應，產(chǎn)生部分熱解氣體，并涌向材料表面，形成一定的熱阻塞作用，阻止外界熱流向材料內(nèi)部的傳遞。隨著駐點熱流的進一步作用，材料表面達到碳化溫度，形成碳層，熱量隨著時間延長不斷向材料內(nèi)部傳遞，在材料內(nèi)部形成新的熱解區(qū)域，由于材料A的隔熱性能較好，熱解區(qū)域較薄，熱量大多積聚在燒蝕表面，導致達到碳化溫度的區(qū)域增加，所以碳層厚度增加，并大于熱解層厚度。鍵能較高的化學鏈段將會以碳化碳層的形式保留下來，而鍵能較低的化學鏈段則會斷鍵生成CO2、CO或者H2等，該部分反應也會消耗一定熱量，并形成熱阻塞作用，其燒蝕機理見圖5所示。

圖5 材料A燒蝕機理示意圖Fig. 5 Diagram of ablation mechanism of material A

2.4 防熱材料熱應力分析

防熱材料在受熱過程中，其內(nèi)部的溫度分布不均勻，每一部分因受到不同溫度的相鄰部分的影響，不能自由伸縮，故而在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應力[15]。

防熱材料的受熱方式為氣動加熱從燒蝕表面?zhèn)鬟f至內(nèi)部，即防熱材料內(nèi)部不同位置存在溫差，另外碳層的碳化變形也會導致防熱材料存在一定的應力。本文只針對材料在燒蝕過程中的原始層熱應力進行分析。防熱材料的結構形式以簡單的平板結構為例。

假設平板上下表面的溫差t=t1-t2，近似認為溫度沿厚度δ方向作線性變化，對應的熱線脹也沿δ作線性變化。上表面受熱溫度高，材料膨脹多；下表面溫度低，材料膨脹少，因此在平板周圍無約束的情況下，平板傾向于變?yōu)榍蛎骟w，其在中性面處的曲率半徑為R，假設曲率半徑很大（即曲率很?。?，則有[10]

但若平板的周邊被固定，則在周邊處產(chǎn)生彎矩，此彎矩應與球面的曲率相抵消，即[15]

由于平板在x、y兩個方向上都受到彎矩作用，則應與疊加原理可得[15]

最大彎曲處產(chǎn)生的熱應力[17-18]

材料A和材料C的相關性能數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 材料A和材料C的性能數(shù)據(jù)Table 1 Figures of properties of materials A and C

σAmax/σCmax=0.288，材料A和材料C的區(qū)別在于是否含有蜂窩結構，可見，采用蜂窩結構增強后，材料的熱應力得到顯著降低。材料A的蜂窩增強體為六邊結構，該六邊結構重復成為尺寸更大的增強結構，換言之，整體增強結構是由六邊結構拓撲組成。材料C的熱應力被若干六邊蜂窩結構分散，所以材料A的熱應力小于材料C。蜂窩結構有效降低了材料在受熱過程中的熱應力，在實際應用中可靠性更高，這也是國內(nèi)外眾多探測器的防熱材料采用蜂窩增強輕質(zhì)防熱材料的一個因素。

防熱材料在實際燒蝕過程中，材料內(nèi)部將形成碳化層、熱解層和原始層，碳化層和熱解層的熱物理性能與原始層有很大不同，且燒蝕過程是動態(tài)變化的，因此若對防熱材料整體的熱應力做動態(tài)分析，以及對不同結構形式的構件進行熱應力分析，需要開展更多的工作。

3 結 論

輕質(zhì)防熱材料可實現(xiàn)在高熱流密度下的碳層完整，其碳層大部分組成為破損的空心填料，其原因主要為高溫使得材料發(fā)生明顯的碳化熱解，材料燒蝕表面溫度迅速升高，燒蝕材料發(fā)生物理化學反應的速度加快，熱解氣體逸出速度增加，使得碳層的孔隙相對較多。

通過合理的材料設計，可使材料中的組成相互反應，生成更加耐高溫的SiC，提高碳層強度和致密程度，并在一定程度上可抑制與O2的相互反應，從而減少燒蝕后退。

對防熱材料進行合理的成分設計，可實現(xiàn)輕質(zhì)防熱材料既可具備良好的隔熱性能又可在6 000 kW/m2下具有良好的抗燒蝕性能。

蜂窩增強結構有效降低防熱材料熱應力，提高防熱材料可靠性。