适用于长时间烧蚀防热的蜂窝增强低密度材料

2019-04-03 14:27:28 作者：邓火英,谭珏,谭朝元,梁馨,孙红卫来源：航天材料及工艺研究所分享至：

0 引言

随着高速飞行器研制的开展，对热防护材料在较低热流、较高气流剪切力、长时间条件下的烧蚀隔热性能提出了更高的要求，需要研制适用于长时间烧蚀防热的轻质防热材料。目前，国外长时间飞行器（如X － 51A）主要采用高温合金、柔性隔热毡或轻质烧蚀泡沫防热。

低密度烧蚀材料（ ≤1. 0 g /cm3 ）应用于运载火箭主动段防热、星际探测器和返回式航天器等高焓、低热流密度和较长时间烧蚀环境下，具有不可替代的重要作用。本文针对长时间烧蚀防热用轻质高效防热材料的需求，研制了两种蜂窝增强低密度烧蚀防热材料，采用电弧风洞加热设备对其防热性能进行了考核，并对蜂窝增强低密度烧蚀防热材料的力学及热物理性能进行了研究。

1 实验

1. 1 材料

蜂窝增强低密度烧蚀材料A、B，密度分别约为0. 7、0. 55 g /cm3。

1. 2 性能测试

蜂窝增强低密度烧蚀材料的拉伸性能、平面压缩性能分别按DqESJ7—99、DqESJ4—99 标准测试。热导率、比热容、线胀系数分别按DqESJ20—99、GJB330A—2000、DqESJ19—99 标准测试。蜂窝增强低密度烧蚀材料的烧蚀防热性能采用电弧风洞加热设备进行考核，监测试验件的表面及背面温度历程，计算试验件的质量烧蚀率和线烧蚀率。热环境1: 热面最高温度约1700℃，试验时间约1 300 s，材料厚度20 mm。热环境2: 热面最高温度约1 400℃，试验时间约1 000 s，材料厚度24 mm。

2 结果与讨论

2. 1 力学性能

蜂窝增强低密度材料的力学性能见表1。可以看出，研制的蜂窝增强低密度材料A 和材料B 的面内拉伸强度为1 MPa 左右，压缩强度为3 MPa 左右。

200℃下材料A 和材料B 的拉伸性能明显下降，压缩强度为2 MPa 左右。材料A 的拉伸性能优于材料B，但材料B 的压缩性能更好一些。

由于蜂窝增强低密度材料不具备承载的功能，不适合在具有连接作用及加强作用的端面和窗口使用。在产品的连接处及开口处必须使用既具有良好烧蚀性能又有一定强度的其他防热材料如中密度玻璃钢烧蚀防热材料，如密度为0. 9 ～1. 4 g /cm3的烧蚀防热材料。其中密度为1. 0 g /cm3的MD4 材料的力学性能见表2。

2. 2 热物理性

能蜂窝增强低密度材料的热导率、比热容和线胀系数见表3。可见蜂窝增强低密度材料与其他烧蚀防热材料相比，热导率较低，使得外部的热量难以传到内部；比热容较大，因而可吸收大量的热量。材料的密度越小，热导率相对也越低，比热容越大。当密度为0. 55 g /cm3时，热导率为0. 1 W/（ m·K）左右。因此此类材料在工作过程中的热阻塞效应较大，防热效率较高，这对长时间热环境下的防热来说是非常有利的。