轻质烧蚀防热材料结构组成对烧蚀形貌的影响

梁 馨 方 洲 林治峰 乔 鹏 代晓伟

（航天材料及工艺研究所，北京 100076）

文 摘 采用石英灯烧蚀试验对研制的一种轻质烧蚀防热材料在不同防热结构下的烧蚀形貌和隔热性能进行了研究。结果表明：不同的防热结构形式，轻质烧蚀防热材料的烧蚀形貌不同，防热结构的纵向温度梯度和面内温度梯度均影响轻质防热材料的烧蚀形貌，温度梯度越小，热量在材料表面积聚越严重，因此表面碳化特征越明显。在不同材料的面内组合状态下，轻质烧蚀防热材料可实现与较高密度材料的匹配烧蚀，说明其烧蚀防热效率较高。在防热结构设计时，可综合考虑其面密度和烧蚀形貌，合理利用防热结构组成，实现高效防隔热和轻量化设计。

0 引言

飞行器在高速飞行过程中，由于与大气的相互作用，将产生温度很高的气动加热，若无热防护，则飞行器将会被高温烧毁，因此防热材料技术是保证飞行器内部温度在一定范围内的重要技术之一，从而保证其内部仪器设备等正常工作，实现其预定功能。由于飞行器的质量有一定限制，所以防热材料及结构若能实现减重，则可提高飞行器的有效载荷，因此轻质烧蚀防热材料是防热材料发展的一个重要方向。烧蚀防热材料的外部烧蚀温度随着气动加热不同而不同，而内部温度随用途不同而不同，如载人飞船，内部温度不可超过人体承受范围，如其他飞行器，则温度不能超过设备运行的上限或防热结构界面的使用上限温度。因此防热材料在厚度上存在一定的温度梯度，该温度梯度对轻质烧蚀防热材料的烧蚀碳层形貌的影响研究可为防热设计提供依据。

蜂窝增强防热材料是防热材料的一个重要分支，目前蜂窝增强轻质防热材料是国内外应用最为广泛的一种轻质防热材料，具有相当高的可靠性和质量一致性。国外大部分空间探测器均采用这种类型的轻质防热材料，包括近地轨道探测器和月地轨道探测器［1−5］，国内的神舟飞船返回舱［6］、嫦娥五号返回器［7］等也均采用了这类轻质防热材料。该类防热材料可调控手段及技术途径较为广泛，可实现较优的烧蚀防隔热性能，具有广阔的应用前景。本文主要针对蜂窝增强轻质防热材料的结构组成对烧蚀形貌的影响进行相应研究。

1 实验

1.1 原材料

轻质烧蚀防热材料A（蜂窝增强低密度烧蚀防热材料）、密度约为0.5 g/cm3，自行研制；烧蚀防热材料B（玻璃钢烧蚀结构材料），密度约为1.0 g/cm3，自行研制；夹层材料C（玻璃钢蜂窝夹层结构，厚度15 mm），自行研制；面板D（玻璃钢面板，厚度2 mm），自行研制。

1.2 测试方法

1.2.1 不同防热材料厚度对烧蚀形貌的影响

采用不同厚度材料A和C进行粘接组合，其中材料A的厚度分别为20、15、13 mm，采用石英灯试验进行烧蚀考核（600 kW/m2，时间210 s），同时测量材料A 与C 的界面温升和背面温升（图1），对比材料A 表面烧蚀形貌的不同。

图1 材料A与材料C组合示意图Fig.1 Schematic diagram of combination of material A and C

1.2.2 不同防热结构对烧蚀形貌的影响

采用13 mm的材料A与D进行粘接组合，采用同样的石英灯试验进行烧蚀考核，测量材料A与D的界面温升和背面温升（图2），对比材料A表面烧蚀形貌的不同。

图2 材料A与材料D组合示意图Fig.2 Schematic diagram of combination of material A and D

1.2.3 不同烧蚀材料面内组合对烧蚀形貌的影响

材料A 与B 进行面内组合，再与材料C 进行粘接组合（图3），采用相同的石英灯烧蚀考核条件进行试验，对比材料A的表面烧蚀形貌与单独材料A与C组合的烧蚀形貌的不同。

图3 材料A与材料B组合示意图Fig.3 Schematic diagram of combination of material A and B

1.2.4 材料性能测试

采用GB/T1463—2005 对材料A、B 进行密度测试；采用GB/T10294—2008 和GB/T10295—2008 分别对材料A、B 进行热导率测试；采用GJB330A—2000测量材料A、B的比热容。

2 分析与讨论

2.1 轻质防热材料厚度对烧蚀形貌的影响

在石英灯烧蚀试验考核状态下，图1所示的防热结构的试验结果如表1所示。

表1 不同材料厚度组合方式及温度测量结果Tab.1 The combination of different material thickness and results of temperature

在相同的材料组合、不同烧蚀材料厚度的情况下，界面温升及背面温升随时间的变化趋势相同，如图4所示。材料厚度越薄，界面温升越大，背面温升越大，这与材料烧蚀反应机理相吻合。在外界热量作用的情况下，材料发生物理化学反应，一部分热量被物理化学反应所消耗，另一部分热量则由材料表面不断向材料内部传递，材料内部温度逐渐升高，距离加热面越近，温度越高，即材料A厚度越薄，温升越大。

从图4可见在材料厚度方向上，材料厚度对温升的影响非常显著，材料越薄，温升越大，材料厚度相差2 mm（15 和13 mm）时，停车时界面温升相差178.5 ℃，这与材料密度较低，隔热性能较好有关。

图4 不同材料厚度组合温升曲线Fig.4 The elevated temperature curves of combination of different material thickness

图5为不同材料厚度组合的防热材料烧蚀形貌，随着烧蚀材料厚度减少，界面温升越高，材料表面烧蚀膨胀越少，以硅基材料裂解为主的产物特征越来越不明显，当材料A 厚度为13 mm 时，出现了明显的碳化现象，可见界面温升越高，即防热材料厚度方向上的温度梯度越小，热量向材料内部传递的动力越小，从而在表面积聚的趋势越明显，导致材料表面碳化程度越严重。

图5 不同材料厚度组合的防热材料烧蚀形貌Fig.5 The ablation morphologies of the ablation materials of different thickness

2.2 不同防热结构对烧蚀形貌的影响

相同的烧蚀材料厚度，不同防热结构的温升变化如表2所示。当背面材料隔热性能越好（如材料C）时，界面温升越高，背面温升越小，反之，背面材料隔热性能越差（如材料D），界面温升越小，背面温升越高，如图6所示。热量从烧蚀材料表面传向材料A内部，再通过界面传至背面材料C或者D，C的隔热性能好，则热量继续传向背面的速度大大减慢，因此热量积聚在界面处，导致背面温升较低；而D的传热性能好，则热量快速传至背面，所以界面温升小，背面温升大。

表2 不同防热结构组合及温度测量结果Tab.2 The combination of different thermal protection structure and results of temperature

图6 不同防热结构组合温升曲线Fig.6 The elevated temperature curves of combination of different combination of thermal protection structure

图7为不同防热结构组合的防热材料烧蚀形貌，可见虽然3#的界面温升高于4#，但随着背面温升的升高，4#材料A 呈现出典型的表面碳化特征，材料表面几乎全部碳化（边缘效应除外），结合表2数据，可知随着背面温升升高，轻质烧蚀材料的碳化现象越明显，由此说明在界面处连接方式可承受界面温度的情况下，防热材料与背面材料可视为一个整体，纵向传热是在该整体结构上进行的，而非单一的防热材料自身，防热材料与背面材料组合而成的防热结构是影响烧蚀材料表面形貌的一个因素。除此以外，其组合方式还影响了防热结构的质量，从表2可知，3#面密度最小，同时其表面烧蚀形貌以碳化为主，碳层更加致密坚硬，在某些特定热环境下，具有良好的隔热、耐烧蚀和轻量化特征，可作为防热结构设计的一个较好选择。

图7 不同防热结构组合的防热材料烧蚀形貌Fig.7 The ablation morphology of the different combination of thermal protection structure

2.3 不同材料面内组合对烧蚀形貌的影响

材料A 和B 的热物理性能如表3所示，A 和B 是热导率相差较大的两种材料，将材料A和B进行面内组合，同时与C 材料组成防热结构，采用同样的石英灯烧蚀条件进行考核试验，其烧蚀形貌如图8所示。

表3 材料热物理性能Tab.3 The thermophysical properties of material A and B

可见，材料A 的烧蚀形貌发生了明显的碳化（与3#不同），由此说明在面内方向，两种不同材料之间存在一定的热量传递和重新分布。材料B 成分热解组分相对较少，在烧蚀中的物理化学反应也相对较少，因此在相同的气动加热条件下，其表面温度相对较高［8］，而材料A则由于复杂的化学反应使得表面温度相对较低，因此A、B 材料在面内形成了温度梯度。在此温度梯度作用下，热量从B 传递至A，使得A 的碳化趋势更加明显。在图8中可见，虽然材料A 和B的密度差异较大，但二者在本试验条件下，烧蚀后退一致，未出现宏观的烧蚀台阶或烧蚀形貌不匹配，说明轻质防热材料A 具有良好的烧蚀性能和隔热性能，其防热效率较高，在实际应用中有广泛的前景。

图8 5#防热结构烧蚀前后形貌Fig.8 The morphologies of 5#combination of thermal protection structure before and after ablation

3 结论

（1）防热结构的纵向温度梯度和面内温度梯度均影响轻质防热材料的烧蚀形貌，温度梯度越小，表面碳化特征越明显。

（2）轻质烧蚀防热材料可实现与较高密度材料的匹配烧蚀，其烧蚀防热效率较高。

（3）合理考虑防热结构组成，可实现有效的高效防隔热和轻量化设计。