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                                              國內航天功能復合材料的發展現狀與趨勢
                                              發布時間:2018-01-23 新聞來源: 瀏覽次數:

                                              1.前言


                                              先進復合材料的持續快速發展,其應用價值日益顯著。在提高航天產品技術性能方面,復合材料的應用優勢不僅體現在作為輕質化的結構材料,更體現在作為滿足各種應用需求的先進功能材料,以及代表復合材料技術高層次發展的結構/功能一體化和多項功能一體化的高新技術材料。


                                              作為功能材料,復合材料在其發展初期即在防熱和透波兩大技術領域顯示了其應用潛力:為再入飛行器及推進系統突破熱障、為各類飛行器實現通訊和探測信號的傳輸提供了有效的物質保障。隨著武器及裝備的發展,材料的使用條件日趨苛刻、日漸復雜,新的、更高的功能要求相繼出現,功能一體化也演變為一種現實的要求,功能復合材料的研究和開發因而倍受重視,其重要地位日益突出。


                                              以下簡要總結了國內航天功能復合材料研究、應用現狀及今后發展方向與趨勢。


                                              2.航天功能復合材料分類及使用環境


                                              相繼研制成的防熱、隔熱、透波、抗沖擊等功能復合材料已有數十種,分別適用于不同的使用目的和工作環境。按其基體的不同,功能復合材料可分為樹脂基、碳基和陶瓷基等復合材料。若按所承擔的功能又可分為防熱復合材料、透波復合材料、隱身復合材料、抗沖擊復合材料、多功能復合材料等。


                                              樹脂基復合材料有玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛、石英/酚醛、碳/酚醛、滌綸/酚醛材料和以不同樹脂為基體的低密度燒蝕材料。其中玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛和石英/酚醛材料屬于碳化-熔化型燒蝕材料,適用于中等焓值和中等熱流密度的工作環境再入飛行器和中等推力的固體火箭發動機防熱材料;碳/酚醛材料屬于碳化-升華型燒蝕材料,適用于能發揮升華效應的較高焓值和較高熱流密度的工作環境,可用于更遠距離再入飛行器和高性能固體火箭發動機噴管等;滌綸/酚醛材料和低密度燒蝕材料適用于高焓、低熱流和較長時間再入的航天飛行器如返回式衛星和飛船等。樹脂基介電—防熱材料有高硅氧/聚四氟乙烯材料,它屬于升華—熔化型燒蝕材料,燒蝕過程中不生成碳,具有良好的透波性能,燒蝕性能與高硅氧/酚醛相匹配,用作航天器天線窗口材料。


                                              碳/碳復合材料屬于升華型燒蝕材料。由于碳/碳復合材料具有高的輻射系數和高的升華熱,高溫下高的比強度和比模量,良好的抗熱震性能以及大的破壞容限,密度低,可設計性強,耐燒蝕,抗粒子侵蝕等特點,使得碳/碳復合材料成為遠程和洲際再入飛行器頭部和高性能固體火箭發動機喉襯等防熱部件的好佳選擇。


                                              陶瓷基復合材料中碳/石英材料屬于熔化—升華型燒蝕材料,其使用特性大體上與碳/酚醛材料相當。陶瓷基透波/防熱復合材料中氧化硅基復合材料屬熔化型燒蝕材料,生成的液膜具有較高粘度,并能繼續保持透波特性。


                                              3.航天功能復合材料研究及應用現狀


                                              中國航天材料與工藝研究所經過40余年的研究與發展,功能復合材料研究與生產,從原材料開發、應用基礎理論、制造工藝和設備、產品性能檢測及標準體等各方面已逐漸成熟,形成了具有航天特色的功能復合材料技術體系,滿足了不同型號航天產品的需求,為我國的航天器的發展做出了巨大貢獻。


                                              3.1 樹脂基功能復合材料


                                              3.1.1樹脂基防熱復合材料


                                              樹脂基防熱復合材料是應用好為廣泛的功能復合材料,根據防熱部件形狀及性能要求的不同,采用的成型工藝主要有模壓、纏繞和手糊等成型工藝方法。模壓防熱材料大部分采用酚醛樹脂作基體,按所用增強材料可劃分為石棉、滌綸、玻璃纖維、高硅氧纖維和碳纖維幾大類,按所用增強材料的形態,可分為短切纖維模壓、碎布模壓和層壓三種。纏繞方法主要有平行纏繞、重疊纏繞以及傾斜纏繞。手糊成型工藝使用較少,而且大多為干法手糊成型,主要用于結構形式較為復雜、非回轉體、多曲面異型結構、性能要求較低的防熱部件。


                                              3.1.2 樹脂基防熱多功能復合材料


                                              具有諸如結構承載、電磁隱身、抗核加固、燒蝕防熱、抗激光加固等功能特性中的兩種或兩種以上功能的復合材料稱為多功能復合材料。目前國內獲得成功應用的樹脂基多功能復合材料主要是燒蝕防熱—電磁隱身復合材料和燒蝕防熱—抗沖擊損傷—結構承載多功能復合材料。


                                              燒蝕防熱—電磁隱身多功能復合材料避免了采用傳統的涂層隱身材料帶來的繁雜的工序和易遭外界力量破壞或降低防熱層材料與金屬結構件間粘接強度等問題的發生,提高了可靠性,降低了維護成本。該類多功能復合材料已應用于再入飛行器的防熱部件。


                                              傳統的布帶纏繞工藝方法增強纖維是兩個方向,布層與布層之間通過酚醛樹脂粘連,因此布帶纏繞防熱材料存在強度低、易發生層間開裂等問題。整體編織物增強酚醛復合材料不但具有很好的燒蝕性能,而且還具有很好的結構強度和抗沖擊損傷能力,具有燒蝕防熱和結構承載、抗沖擊損傷一體化的多功能特性。近年來,該類復合材料的研制和應用取得了明顯的進展,已在多種航天型號上獲得成功應用,如再入飛行器的防熱套、整流罩、彈體防熱結構件、發射裝置的導流器防熱帽以及導流防熱板、發動機支架等。


                                              3.2 碳/碳復合材料


                                              經過30余年的發展,我國碳/碳復合材料及成型工藝逐漸成熟,先后發展了液相低壓浸漬/碳化、化學氣相沉積等致密化工藝及手段。為了滿足航天產品對碳/碳復合材料高密度、高性能要求,又研制成功了高壓浸漬與碳化工藝及設備。先后研制成功了整體氈碳/碳復合材料、三向結構碳/碳復合材料、多向編織碳/碳復合材料等多個碳/碳材料品種及工藝。為了滿足當前航天和民用產品批量化、低成本化要求,目前正在開展碳/碳復合材料低成本制備工藝技術研究。


                                              3.3 陶瓷基功能復合材料


                                              3 .3.1陶瓷基防熱復合材料


                                              國內目前在航天型號上獲得應用的陶瓷基防熱復合材料主要是碳纖維增強石英基復合材料(以下簡稱碳-石英)。碳-石英按制造方法分類有幾種:(1) 濕法浸漬長纖維纏繞碳-石英;(2) 粉末冶金法碳-石英;(3) 織物浸漬法碳-石英。


                                              目前在航天型號上獲得應用的主要有兩種:(1) 先采用濕法長纖維浸漬石英漿、纏繞成胚胎,然后進行熱壓燒結;(2) 采用粉末冶金法按一定比例先對短切碳纖維和石英粉進行球磨混料,然后進行冷壓和熱壓。


                                              碳-石英復合材料已在航天型號中獲得成功應用,主要應用于再入飛行器的頭部部件。


                                              3.3.2 陶瓷基耐高溫防熱/透波及防熱/透波/承載多功能復合材料


                                              我國獲得應用的陶瓷基耐高溫防熱/透波以及防熱/透波/承載多功能復合材料主要為二氧化硅基復合材料。二氧化硅基透波復合材料是以二氧化硅材料為基體,采用高硅氧纖維織物或石英纖維織物作為增強體,經浸漬增密、熱處理、防潮處理等工藝技術途徑制備的復合材料,具有優良的防熱、耐熱、透波、承載及抗沖擊等功能。


                                              我國經過二十年的研究工作,已經開發成功了兩種三向石英纖維編織物增強二氧化硅基復合材料產品、多種高硅氧穿刺織物增強二氧化硅基復合材料產品,多種2.5D石英纖維編織物增強二氧化硅基復合材料產品,在我國的多個航天型號上獲得應用。


                                              國內外也開發研究了磷酸鹽基透波復合材料。磷酸鹽基透波復合材料又可以稱為無機玻璃鋼,是指以無機磷酸鹽為基體,采用石英、高硅氧或玻璃纖維及其織物增強,具有良好電磁波透過性能和高溫穩定性的一類復合材料。與二氧化硅基復合材料相比,磷酸鹽基復合材料制造成本較低。目前已在衛星天線支撐體等部件上獲得應用。


                                              3.4 低密度燒蝕防熱復合材料


                                              低密度燒蝕材料是指密度≤1.0g/cm3的一類燒蝕防熱材料,它一般由酚醛樹脂、環氧樹脂或硅橡膠為基體,通過引入空心微球或化學發泡來降低密度,為增強燒蝕時形成碳化層的強度而引入難熔短纖維或用玻璃鋼蜂窩增強。


                                              低密度燒蝕材料是載人航天及再入返回技術中重要的先進熱防護材料。該材料還可應用于高焓、低熱流密度和長時間使用條件的其它飛行器的防熱,如運載火箭整流罩、發動機底部防熱以及巡航及機動飛行導彈等。


                                              該材料在型號上的應用目前主要用于載人飛船返回艙。


                                              4.功能復合材料應用前景與發展趨勢


                                              為了滿足未來新一代航天器超高速度、機動飛行、重復使用等高性能指標要求,需要大量與傳統防熱復合材料不同的新型防熱復合材料。這為防熱復合材料的進一步發展提供了動力。從總體發展趨勢來看,防熱復合材料目前主要是向著高性能化、輕質化、多功能化、低成本化等方向發展,繼續開展新材料和新工藝的研究。


                                              (1)高性能化和輕質化:為了滿足新型航天武器型號要求,部分關鍵防熱復合材料性能要求更高。如,為了進一步提高航天器落點精度、機動飛行、突防和全天候能力,再入飛行器的防熱層要求燒蝕外形均勻、對稱,且具有盡可能小的燒蝕量;固體火箭發動機噴管喉襯燒蝕量盡可能的小且燒蝕面規則;為了滿足航天器長時間機動飛行要求,對防熱層材料的隔熱性能和密度等均提出了更高要求。

                                              (2)多功能化:為了實現再入飛行器進一步小型化目標和提高其突防能力,很多防熱部件必須同時具備其它功能,如使防熱復合材料同時具備隱身功能;防熱復合材料具有防熱和隔熱雙功能;某些部件防熱材料同時起承力結構件作用等。


                                              (3)低成本化:低成本化是功能復合材料發展的大趨勢。很多防熱部件希望選用高性能的防熱復合材料如碳/碳復合材料以提高其使用可靠性,僅僅是由于價格問題而不得不選用可靠性低得多的材料。低成本化包括采用高生產效率、高成品率并能充分的發揮材料性能的制造工藝,合理的材料設計和應用,針對產品的形狀、尺寸、結構和使用要求采用合理的制造工藝等。


                                              具體來講,樹脂基功能復合材料發展方向是高效防熱/隔熱技術、長時間低燒蝕技術以及多功能技術、低成本技術等;碳/碳復合材料主要是低成本技術和進一步提高燒蝕性能以及燒蝕外形對稱技術等;陶瓷基復合材料主要是低成本制備技術以及新型高性能高溫防熱/透波材料及制備技術等;低密度防熱復合材料發展趨勢是使其具有多功能,如燒蝕/隔熱,燒蝕/吸波,燒蝕/透波等。


                                              5.結束語


                                              綜上所述,經過四十余年的發展,我國航天功能復合材料取得了豐碩的成果,無論是材料品種、工藝還是綜合性能都滿足了我國現役航天型號對功能復合材料的需求。根據未來航天型號的需要,功能復合材料還須在低成本化、多功能化、輕量化、高性能化等方面繼續發展,一些新的材料品種急需開展相應研究工作,功能復合材料研究與應用前景光明。

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