低密度防热材料烧蚀性能研究

梁　馨，谭朝元，罗丽娟，方　洲，郭鸿俊

(航天材料及工艺研究所，北京 100076)



低密度防热材料烧蚀性能研究

梁馨，谭朝元，罗丽娟，方洲，郭鸿俊

(航天材料及工艺研究所，北京 100076)

摘要:对两种蜂窝增强低密度烧蚀防热材料和一种中密度烧蚀结构材料力学性能及隔热性能进行了测试，同时通过电弧风洞对三种烧蚀防热材料的烧蚀性能进行了研究。结果表明，在一定的热流状态下，蜂窝增强低密度防热材料未出现烧蚀后退，而是轻微膨胀，且材料密度对其烧蚀形貌及碳层厚度均有一定影响；不同防热材料在烧蚀过程中存在热量传递与重新分布，从而减缓防热性能较差材料的烧蚀程度，提高两种材料的烧蚀匹配性能。隔热性能好的材料碳层厚度小，但隔热性能与碳层厚度无线性关系。

关键词:防热材料；烧蚀；隔热性能；碳层

1引言

蜂窝增强低密度烧蚀材料是由蜂窝及其内填充的多组分材料组成，是密度≤1.0 g/cm3的一类烧蚀防热材料，该类材料广泛应用于航天领域，特别是应用于工作在高焓、中低热流密度和较长时间烧蚀环境下的航天器(例如星际探测器和返回式航天器等)，具有不可替代的重要作用。国外的双子座号[1]、阿波罗号[2-3]以及MER[4]、MPF[5-6]等火星探测器都是采用了蜂窝增强低密度烧蚀防热材料，美国在研的飞船猎户座返回舱在经历了众多材料筛选后，最终采用蜂窝增强低密度防热材料[7]，我国神舟飞船返回舱热防护结构也是采用蜂窝增强低密度烧蚀材料[8]。

蜂窝增强低密度烧蚀防热材料有如下特点[8]：1)可设计性强，利用配方设计软件，可设计不同密度、不同工艺性能的材料系列，以提高多功能低密度复合材料在不同导弹、不同部位上的适应性，可用于大面积防热结构；2)可修补，修补材料能室温或中温固化，修补工艺简便可靠，能在生产、服役现场进行修补；3)可靠性高，采用整体成型防热结构，整体性强、匹配性好；4)密度低、防热效率高，适合低热流密度、长时间热环境条件的热防护；5)成型效率高，可有效降低材料成型成本。

本文开展了蜂窝增强低密度烧蚀防热材料及其配套中密度玻璃钢烧蚀结构材料性能研究，采用电弧风洞试验对材料防热性能进行考核，为后续材料的应用提供数据支撑。

2试验部分

2.1材料

材料1(蜂窝增强低密度烧蚀防热材料)，密度约为0.71 g/cm3，自行研制；

材料2(蜂窝增强低密度烧蚀防热材料)，密度约为0.89 g/cm3，自行研制；

材料3(中密度玻璃钢烧蚀结构材料)，密度约为1.4 g/cm3，自行研制。

2.2性能测试

对蜂窝增强低密度烧蚀材料的拉伸性能[9]和中密度玻璃钢材料的拉伸性能[10]按照相应测试标准进行测试。

蜂窝增强低密度烧蚀材料和中密度玻璃钢材料的隔热性能参数由热物理性能测试[11-12]数据计算而得。

采用电弧风洞烧蚀试验对材料的防热性能进行考核，考察材料的表面烧蚀状态以及质量损失情况。电弧风洞烧蚀试验条件为：热流密度700 kW/m2，烧蚀时间80 s。试验中，采用红外测温仪测量并记录材料的表面温度，并测量材料碳化层的厚度、线后退率及质量损失率。

3结果分析

3.1基本性能

表1为材料1和材料2的力学和隔热性能(多数据平均值)，表2为材料3的力学和隔热性能(多数据平均值)，该部分数据为计算材料性能及力学承载能力提供了数据基础。

表1材料1、2的力学性能及隔热性能

Table 1Mechanical properties and insulation performance parameters of material 1 and 2

表2材料3的力学性能及隔热性能

Table 2Mechanical properties and insulation performance parameters of material 3

3.2烧蚀防热性能考核结果

3.2.1烧蚀形貌分析

采用电弧风洞试验对材料烧蚀性能进行测试和研究，表3为防热材料的烧蚀结果，图1为材料1烧蚀前后的形貌，材料烧蚀之后表面的碳层坚硬、均匀，无宏观剥蚀，材料无后退量，且稍有膨胀，这与材料的组成有关。在烧蚀过程中，材料表面发生烧蚀碳化，吸收一部分热量，而材料内部由于热量传递而温度升高，导致在一定深度的材料发生热解反应，再吸收一部分热量，反应生成的大量热解气体大部分向材料表面扩散，从而形成一定的碳层膨胀现象。同时热解气体向表面扩散也阻止了热量向材料内部的传递，即形成了热阻塞作用，进一步减少热量传入材料内部，从而起到降低材料内部温度的作用。

表3　防热材料烧蚀结果

图1　材料1烧蚀前后形貌Fig.1　Morphology of material 1 before and after ablation

图2为材料2烧蚀前后的形貌，材料烧蚀后同样形成了坚硬、致密的碳层。材料2的碳层也出现膨胀现象，且膨胀程度较材料1严重，这主要是因为材料2的密度较材料1大，同样烧蚀状态下，材料热解产生的气体量更大，从而造成材料的膨胀也更为严重，表1中材料2的质量损失率较材料1更大，也说明了材料2热解严重，即产生了更多的热解气体。

图2　材料2烧蚀前后形貌Fig.2　Morphology of material 2 before and after ablation

有关烧蚀材料热解碳化，热解气体逸出的烧蚀机理见图3，外界热量不断从材料表面向内部传递，当材料内部温度达到热解温度时，材料发生热解，当温度升高到碳化温度时，材料发生碳化，而在碳化温度与热解温度区域之间，便形成了热解层，在碳化温度以上的区域，形成了碳化层。

图3　材料烧蚀机理示意图Fig.3　Schematic diagram of ablation mechanism

由于材料2隔热性能参数较大，向内部传导热量较快，因此发生热解的材料更多，质量损失率较大，因而在烧蚀中带走的热量更多，使材料2的表面温度略低于材料1。

图4为材料3烧蚀前后的形貌，可以看到在该烧蚀状态下，材料中的树脂发生碳化，而填料则出现熔融，在材料表面留下明显的硅基熔融现象。图5为材料1与材料3组成的试验件烧蚀后的形貌，在同样的烧蚀条件下，组合件中材料1的表面形貌与单独材料1烧蚀后表面形貌没有明显区别，而组合件中材料3与单独材料3烧蚀后表面形貌则有明显差别，主要表现在组合件中材料3烧蚀后未见明显的熔融液体，表面只有灰白色碳层，这主要是由于组合件在烧蚀过程中，材料3的表面温度高于材料1，形成一定的温度梯度，热量从材料3传向材料1，从而降低了自身的温度，未发生明显的熔融。表3显示单独材料3的表面温升为1572℃，而组合件中材料3的表面温升为1487℃，二者相差85℃，该数据也证实了热量在两种材料之间传递的现象，这在一定程度上说明了组合材料在烧蚀过程中存在热量匹配与重新分布的现象，即烧蚀过程中热量传递具有多维性。

图4　材料3烧蚀前后形貌Fig.4　Morphology of material 3 before and after ablation

图5　材料1与材料3组合件烧蚀后形貌Fig.5　Morphology of material 1 and 3 assembled after ablation

3.2.2烧蚀碳层分析

碳层是材料达到一定温度后，发生碳化而形成的烧蚀表面层，材料组成不同，形成碳层的温度范围也不同。碳层的厚度在一定程度上反映了热量向内部传递的情况，本文对烧蚀后的材料进行机械解剖，目视剖面形貌，测量碳层厚度，即文中测量的碳层厚度为表观碳层厚度。材料1碳层厚度为4.1 mm，同样的烧蚀状态下，材料2的碳层厚度为5.1 mm，增加了25%左右，这主要是由于材料2的原始材料隔热性能较材料1差，热量传递也较快，因此在同样的加热时间情况下，温度到达材料内部的深度更大，即碳层厚度更大。图6为材料1、2、3的隔热性能与碳层厚度的关系(为方便比较，图中将材料1的隔热性能与碳层厚度定为“1”，其他数值为材料2、材料3与材料1相应性能的比值)，可见，材料1与材料2的碳层厚度与隔热性能成较好的对应关系，而与材料3则无明显对应关系，这主要是材料1与材料2为相似类型的烧蚀防热材料，材料组成较为接近，虽然发生的具体物理化学反应有所不同，但烧蚀机理相近，均以烧蚀碳化为主，熔融吸热为辅；而材料3在材料组成上与材料1、2有较大差异，烧蚀反应以熔融吸热为主，碳化为辅，从而对应关系较差。

本文所讨论的材料1和材料2均是无烧蚀后退，这在一定程度上简化了碳层的形成过程，即碳层主要是由于热量向内部传导所形成。材料的碳层厚度与隔热性能并未呈现良好的量化对应关系(如图6所示)，主要是因为烧蚀是很复杂的动态过程，即使为了便于计算及预测，将整个烧蚀过程看作静态过程及一维模型，烧蚀中碳层辐射出的热量也很难衡量，从而造成隔热性能与碳层厚度无法良好对应。对于类似的材料组成，相近的烧蚀机理及烧蚀历程，其隔热性能参数可以定性对材料的碳层厚度进行判断及分析。为了得到较为精准的数据，还需依据能够反映材料烧蚀动态变化的风洞试验进行校正和拟合。

图6　材料的隔热性能与碳层厚度的关系Fig.6　Relationship between insulation performance and char layer thickness for material 1～3

4结论

1)在较低热流状态下，蜂窝增强低密度防热材料未出现烧蚀后退，而是轻微膨胀；密度大的材料质量损失较多、产生热解气体量较大，膨胀现象严重。

2)两种烧蚀防热材料组合烧蚀时，会出现热量传递与重新分布，减缓烧蚀性能较差材料的烧蚀程度，提高两种材料的烧蚀匹配性。

3．1 家庭成员个体特征对于家庭功能及儿童的影响 从上述的研究结果中不难发现，行为异常组儿童父母的知识性及宗教道德观得分明显低于正常组儿童。这与某些研究的结果一致［9－10］。知识性反映一个家庭抚育者的知识文化水平及家庭的科学文化气氛。文化素质高的父母可能更注重用科学的态度和方法养育子女，更早认识并发现儿童的心理行为问题，在面对儿童的行为情绪问题时，也更倾向于寻求科学育儿方法的帮助，及时发现自己现用育儿方法的不足加以改正，有利于儿童的健康成长。

3)在本文热流状况下，材料隔热性能好的碳层厚度小，但隔热性能与碳层厚度无线性关系。

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DqESJ20-99 Test Method of Heat Transfer Characteristics for Low Density Ablative Materials Reinforced by Honeycomb[S].(in Chinese)

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GJB330A-2000 Test Method for Specific Heat Capacity of Solids in the Temperature Range from 60 to 2773K[S].(in Chinese)

Research on Ablation Properties of Low Density Thermal Protection Materials

LIANG Xin, TAN Zhaoyuan, LUO Lijuan, FANG Zhou, GUO Hongjun

(Aerospace Research Institute of Material & Processing Technology, Beijing 100076, China)

Abstract:The mechanical properties and insulation performance parameters of two kinds of low density ablation materials reinforced by honeycomb and a kind of mid-density ablation-structure material were tested and the ablation performance was studied by arc-heated wind tunnel test. It was found that the low density ablation materials reinforced by honeycomb had no recession, but slight expansion was found under condition of certain heat flow density inferred in this manuscript. The density of the materials could impact the morphology and the thickness of the char layer forming during the ablation. When thermal protection properties were matched, the heat transferred and redistributed between different ablation materials. The ablation degree of the material with worse thermal protection property was lowed and the ablation matching properties between the two materials was improved. The thickness of char layer of the material with better insulation performance was smaller, but there was no linear relationship between the insulation performance and the thickness of char layer.

Key words:thermal protection material;ablation;insulation performance;char layer

收稿日期：2015-09-15；修回日期：2016-03-21

基金项目：载人航天预先研究项目(060101)

作者简介：梁馨(1979-)，女，博士，高级工程师，研究方向为树脂基功能及结构复合材料。E-mail：13810171997@139.com

中图分类号：TB332

文献标识码：A

文章编号：1674-5825(2016)03-0298-04