高超声速飞行器热防护材料研究进展

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　　摘 要：热防护材料是高超声速飞行器设计的关键技术。常用热防护材料有C/C复合材料、超高温陶瓷、树脂基复合材料、难熔金属及金属基复合材料等。本文针对不同材料的特点归纳总结，提出了高超声速飞行器热防护材料面临的问题，为今后的发展和应用提供参考。
　　关键词：热防护材料;C/C复合材料;超高温陶瓷;树脂基复合材料;难熔金属;金属基复合材料
　　中图分类号：V259 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）01-0066-02
　　0 引言
　　高超声速飞行器具有隐蔽性好、作战能力强和效能高等优点，具有很好的发展前景[1]。由于飞行马赫数大，过载大，其热防护材料设计是必须解决的安全问题，设计时需选取密度小、强度高、耐高温的材料满足结构防热、轻质及高刚度的要求。目前热防护材料主要有：C/C复合材料、超高温陶瓷、树脂基复合材料、难熔金属及金属基复合材料。
　　1 热防护系统和材料
　　1.1 C/C复合材料
　　C/C复合材料具有密度低、热膨胀系数小、比强度高等优势，在高温结构中表现出极大的优越性[2]。国内火箭发动机高温结构采用C/C复合材料，表现出良好的抗烧蚀性能。但其在高温环境中容易氧化导致结构失效，提高抗氧化性是实现大量应用的关键[3]。通过玻璃涂层、金属涂层以及陶瓷涂层等实现与氧气隔绝，工艺简单，制备成本低，但使用寿命较短;在基体中引入具有抗氧化性的碳化硅、氧化硅、硼化锆等化合物有效提升抗氧化性，在高温环境中可长期安全使用。提高抗氧化性将成为C/C复合材料研究的关键。
　　1.2 超高温陶瓷
　　超高温陶瓷熔点、稳定性好，大量应用于高超声速飞行器等结构中[4]。目前常用的超高温陶瓷主要由碳化硅、碳化锆、硼化铪、硼化锆等难熔碳化物和硼化物组成。碳化物超高超温陶瓷抗氧化性较差，通常采用增加另一相材料提高其抗氧化性。研究人员在碳化铪中加入硅化钼，可以有效抑制基体晶粒的增加，提高了材料烧结性能和抗氧化性[5];硼化物超高超温陶瓷中有很强的共价键，因此具有熔点高，蒸发率低和导热率高的特点，但硼化物超高温陶瓷材料难以致密，可以通过提高反应物的表面能、降低生成物的晶界能、提高材料的体扩散率等方法提高致密性[6]。硼化物在高温境中会生成氧化硼保护层，抗氧化效果较好，但随着温度升高，氧化硼蒸发，其抗氧化能力下降。研究表明，通过添加第二相化合物，使得材料表层形成高熔点玻璃相，阻止了氧气向内部扩散，提高了材料的抗氧化性[7]。
　　1.3 树脂基复合材料
　　树脂基复合材料比强度高、耐高温、耐疲劳，是目前发展较成熟的先进复合材料[8]。树脂基复合材料是由聚合物（有机硅、酚醛、聚芳块等）为基体，与增强纤维（玻璃纤维、碳纤维、石英纤维等）复合而成。其中增强纤维-酚醛基复合材料由于制作成本低，性能优异，是目前研究最多应用最广的热防护材料。研究人员制利用高硅氧布增强改性的酚醛树脂，制備出具有良好隔热、抗烧蚀的复合材料[9];同时针对酚醛耐热性不足，通过引入芳环等其他元素等改性酚醛制备出具有优异抗烧蚀性能的改性树脂基复合材料。其研究应用逐步向承载-烧蚀防热-隐身等多功能材料发展。
　　1.4 难熔金属及金属基复合材料
　　难熔金属及其合金作为热防护材料具有耐高温、韧性高、可塑性好等优势，其中应用较多的有钨、铼、钼等。其中钨具有很好的抗氧化性和抗烧蚀能力，并且可以通过添加铜、铼、氧化钍、碳化铪等提高力学性能[10];铼具有很好的耐高温、抗腐蚀、抗热震性能，但高温环境下抗氧化能力较差，限制其作为热防护材料的应用。研究表明铼与其它难熔金属和陶瓷具有良好的相容性（如氧化钍、氧化铪、碳化锆等），可构成复合材料使铼的强度和抗氧化性得到改善，这也是未来研究和发展的重要方向[11]。钼作为热防护材料与钨、铼相比，密度低，成本小，且其化合物具有很好的抗氧化性能，具有很好的发展前景[12]。
　　2 结语
　　随着高超声速飞行的发展，对其热防护材料提出了更高的要求。本文结合最新研究进展对常用热防护材料进行总结：C/C复合材料是最具前景的热防护复合材料，目前研究的关键在于提高其高温下的抗氧化能力。超高温陶瓷复合材料是主要有碳化物和硼化物超高温陶瓷，通过微观结构设计提高抗氧化性以及致密性，是未来的主要研究方向。树脂基复合材料是发展较成熟的复合材料，通过对基体改性发展性能优异的多功能材料，是研究和应用的重点。难熔金属及金属基复合材料的重点在于提高抗氧化能力，通过与其它难熔金属或化合物复合，提高抗环境能力未来重要的发展方向。
　　参考文献
　　[1] 徐世南，吴催生.高超声速飞行器热防护材料研究进展[J].机械研究与应用，2018，31（05）：227-232.
　　[2] 欧阳金栋，刘慧慧，邓进，等.高超声速飞行器结构热防护技术现状综述[J].教练机，2017（1）：39-43.
　　[3] 白龙腾，杨晓辉，王毅，等.低成本制造C/SiC复合材料的热物理性能研究[J].火箭推进，2016（01）：58-65.
　　[4] Zhang S C，Hilmas G E，Fahrenholtz W G.Pressureless Densification of Zirconium Diboride with Boron Carbide Additions[J].Journal of the American Ceramic Society，2006，89（5）：1544-1550.
　　[5] Savino R，Fumo M D S，Silvestroni L，et al.Arc-jet testing on HfB2 and HfC-based ultra-high temperature ceramic materials[J].Journal of the European Ceramic Society，2008，28（9）：1899-1907.
　　[6] 张磊磊，付前刚，李贺军.超高温材料的研究现状与展望[J].中国材料进展，2015，34（9）：675-683.
　　[7] Sun C，Li H J，Fu Q G，et al.ZrSiO4Oxidation Protective Coating for SiC-Coated Carbon/Carbon Composites Prepared by Supersonic Plasma Spraying[J].Journal of Thermal Spray Technology，2013，22（4）：525-530.
　　[8] Lin，Chun-Te，Lee，Hsun-Tsing，Chen，Jem-Kun.Synthesis and characterization of molybdenum/phenolic resin composites binding with aluminum nitride particles for diamond cutters[J].Applied Surface Science，2013（284）：297-307.
　　[9] 张麟，李瑞珍，杨学军，等.HGB改性酚醛/高硅氧布复合材料的制备及性能[J].工程塑料应用，2013，41（9）：33-37.
　　[10] 韩杰才，胡平，张幸红，等.超高温材料的研究进展[J].固体火箭技术，2005，28（4）：289-294.
　　[11] 张勇，何新波，曲选辉，等.超高温材料的研究进展及应用[J].材料导报，2007，21（12）：60-64.
　　[12] Yoshimi K，Nakatani S，Nomura N，et al.Thermal expansion，strength and oxidation resistance of Mo/Mo5SiB2 in-situ composites at elevated temperatures[J].Intermetallics，2003，11（8）：787-794.
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