0 引言

隨著高速飛行器研制的開(kāi)展，對(duì)熱防護(hù)材料在較低熱流、較高氣流剪切力、長(zhǎng)時(shí)間條件下的燒蝕隔熱性能提出了更高的要求，需要研制適用于長(zhǎng)時(shí)間燒蝕防熱的輕質(zhì)防熱材料。目前，國(guó)外長(zhǎng)時(shí)間飛行器（ 如X － 51A） 主要采用高溫合金、柔性隔熱氈或輕質(zhì)燒蝕泡沫防熱。

低密度燒蝕材料（ ≤1. 0 g /cm3 ） 應(yīng)用于運(yùn)載火箭主動(dòng)段防熱、星際探測(cè)器和返回式航天器等高焓、低熱流密度和較長(zhǎng)時(shí)間燒蝕環(huán)境下，具有不可替代的重要作用。本文針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間燒蝕防熱用輕質(zhì)高效防熱材料的需求，研制了兩種蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料，采用電弧風(fēng)洞加熱設(shè)備對(duì)其防熱性能進(jìn)行了考核，并對(duì)蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料的力學(xué)及熱物理性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 材料

蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕材料A、B，密度分別約為0. 7、0. 55 g /cm3。

1. 2 性能測(cè)試

蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕材料的拉伸性能、平面壓縮性能分別按DqESJ7—99、DqESJ4—99 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。熱導(dǎo)率、比熱容、線脹系數(shù)分別按DqESJ20—99、GJB330A—2000、DqESJ19—99 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕材料的燒蝕防熱性能采用電弧風(fēng)洞加熱設(shè)備進(jìn)行考核，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)件的表面及背面溫度歷程，計(jì)算試驗(yàn)件的質(zhì)量燒蝕率和線燒蝕率。熱環(huán)境1: 熱面最高溫度約1700℃，試驗(yàn)時(shí)間約1 300 s，材料厚度20 mm。熱環(huán)境2: 熱面最高溫度約1 400℃，試驗(yàn)時(shí)間約1 000 s，材料厚度24 mm。

2 結(jié)果與討論

2. 1 力學(xué)性能

蜂窩增強(qiáng)低密度材料的力學(xué)性能見(jiàn)表1。可以看出，研制的蜂窩增強(qiáng)低密度材料A 和材料B 的面內(nèi)拉伸強(qiáng)度為1 MPa 左右，壓縮強(qiáng)度為3 MPa 左右。

200℃下材料A 和材料B 的拉伸性能明顯下降，壓縮強(qiáng)度為2 MPa 左右。材料A 的拉伸性能優(yōu)于材料B，但材料B 的壓縮性能更好一些。

由于蜂窩增強(qiáng)低密度材料不具備承載的功能，不適合在具有連接作用及加強(qiáng)作用的端面和窗口使用。在產(chǎn)品的連接處及開(kāi)口處必須使用既具有良好燒蝕性能又有一定強(qiáng)度的其他防熱材料如中密度玻璃鋼燒蝕防熱材料，如密度為0. 9 ～1. 4 g /cm3的燒蝕防熱材料。其中密度為1. 0 g /cm3的MD4 材料的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

2. 2 熱物理性

能蜂窩增強(qiáng)低密度材料的熱導(dǎo)率、比熱容和線脹系數(shù)見(jiàn)表3。可見(jiàn)蜂窩增強(qiáng)低密度材料與其他燒蝕防熱材料相比，熱導(dǎo)率較低，使得外部的熱量難以傳到內(nèi)部； 比熱容較大，因而可吸收大量的熱量。材料的密度越小，熱導(dǎo)率相對(duì)也越低，比熱容越大。當(dāng)密度為0. 55 g /cm3時(shí)，熱導(dǎo)率為0. 1 W/（ m·K） 左右。因此此類(lèi)材料在工作過(guò)程中的熱阻塞效應(yīng)較大，防熱效率較高，這對(duì)長(zhǎng)時(shí)間熱環(huán)境下的防熱來(lái)說(shuō)是非常有利的。

2. 3 防熱性能

材料A 在熱流條件1 下的背面及表面溫度曲線和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。蜂窩增強(qiáng)低密度材料總厚度為20 mm，試驗(yàn)過(guò)程中材料的表面溫度最高達(dá)1 700℃，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 300 s，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)材料本體的背溫為196℃，顯示了蜂窩增強(qiáng)低密度材料優(yōu)異的隔熱性能。

圖2 為試驗(yàn)前后試驗(yàn)件的照片，可見(jiàn)蜂窩增強(qiáng)低密度材料在熱流1 的條件下試驗(yàn)過(guò)程中表面均勻、完整，試驗(yàn)后材料表面狀態(tài)較好，形成了完整、均勻、致密的碳層。

表4 為兩種蜂窩增強(qiáng)低密度材料在熱環(huán)境2 的燒蝕試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)結(jié)果。由表4 可見(jiàn)，在24 mm的厚度下，材料A 與材料B 相比，二者的質(zhì)量燒蝕率相當(dāng)，材料A 比材料B 背溫降低了20℃左右，經(jīng)解剖也發(fā)現(xiàn)，材料A 的碳層厚度比材料B 小，原始層厚度比材料B 大，可見(jiàn)材料A 的防熱效果要優(yōu)于材料B。

二者經(jīng)過(guò)1 000 s 的熱環(huán)境考核后，原始層還剩余9. 5mm 左右，說(shuō)明蜂窩增強(qiáng)低密度材料具有較高的防熱效率。圖3 為材料A 燒蝕前后的表面質(zhì)量，可見(jiàn)燒蝕后蜂窩增強(qiáng)低密度材料的表面狀態(tài)較好，形成了較為致密、完整的碳層。

3 結(jié)論

（ 1） 針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間燒蝕防熱對(duì)防熱材料的需求，研制的兩種蜂窩增強(qiáng)低密度材料的密度分別為0. 55 和0. 7 g /cm3，壓縮強(qiáng)度為3 MPa 左右，熱導(dǎo)率較低，比熱容較大，因此熱阻塞效應(yīng)較大，非常有利于長(zhǎng)時(shí)間熱環(huán)境下的防隔熱。

（ 2） 采用電弧風(fēng)洞加熱設(shè)備對(duì)其防熱性能進(jìn)行了考核。在兩種長(zhǎng)時(shí)間（ 1 000 s 以上） 熱環(huán)境的考核下，蜂窩增強(qiáng)低密度材料燒蝕后背面溫度均低于200℃，表面碳層均勻、完整，無(wú)明顯燒蝕量，顯示了優(yōu)異的隔熱性能和良好的抗氣流沖刷能力。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國(guó)內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)，我們網(wǎng)站會(huì)不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：王元

《中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com

中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414