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国内航 天功能复合材料的发展现状与趋势
发布时间:2018-01-23 新闻来源: 浏览次数:

1.前言


先进复 合材料的持续快速发展,其应用价值日益显著。在提高 航天产品技术性能方面,复合材 料的应用优势不仅体现在作为轻质化的结构材料,更体现 在作为满足各种应用需求的先进功能材料,以及代 表复合材料技术高层次发展的结构/功能一 体化和多项功能一体化的高新技术材料。


作为功能材料,复合材 料在其发展初期即在防热和透波两大技术领域显示了其应用潜力:为再入 飞行器及推进系统突破热障、为各类 飞行器实现通讯和探测信号的传输提供了有效的物质保障。随着武 器及装备的发展,材料的 使用条件日趋苛刻、日渐复杂,新的、更高的 功能要求相继出现,功能一 体化也演变为一种现实的要求,功能复 合材料的研究和开发因而倍受重视,其重要地位日益突出。


以下简 要总结了国内航天功能复合材料研究、应用现 状及今后发展方向与趋势。


2.航天功 能复合材料分类及使用环境


相继研制成的防热、隔热、透波、抗冲击 等功能复合材料已有数十种,分别适 用于不同的使用目的和工作环境。按其基体的不同,功能复 合材料可分为树脂基、碳基和 陶瓷基等复合材料。若按所 承担的功能又可分为防热复合材料、透波复合材料、隐身复合材料、抗冲击复合材料、多功能复合材料等。


树脂基 复合材料有玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛、石英/酚醛、碳/酚醛、涤纶/酚醛材 料和以不同树脂为基体的低密度烧蚀材料。其中玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛和石英/酚醛材料属于碳化-熔化型烧蚀材料,适用于 中等焓值和中等热流密度的工作环境再入飞行器和中等推力的固体火箭发动机防热材料;碳/酚醛材料属于碳化-升华型烧蚀材料,适用于 能发挥升华效应的较高焓值和较高热流密度的工作环境,可用于 更远距离再入飞行器和高性能固体火箭发动机喷管等;涤纶/酚醛材 料和低密度烧蚀材料适用于高焓、低热流 和较长时间再入的航天飞行器如返回式卫星和飞船等。树脂基介电—防热材料有高硅氧/聚四氟乙烯材料,它属于升华—熔化型烧蚀材料,烧蚀过程中不生成碳,具有良好的透波性能,烧蚀性能与高硅氧/酚醛相匹配,用作航 天器天线窗口材料。


碳/碳复合 材料属于升华型烧蚀材料。由于碳/碳复合 材料具有高的辐射系数和高的升华热,高温下 高的比强度和比模量,良好的 抗热震性能以及大的破坏容限,密度低,可设计性强,耐烧蚀,抗粒子侵蚀等特点,使得碳/碳复合 材料成为远程和洲际再入飞行器头部和高性能固体火箭发动机喉衬等防热部件的最佳选择。


陶瓷基复合材料中碳/石英材料属于熔化—升华型烧蚀材料,其使用 特性大体上与碳/酚醛材料相当。陶瓷基透波/防热复 合材料中氧化硅基复合材料属熔化型烧蚀材料,生成的 液膜具有较高粘度,并能继 续保持透波特性。


3.航天功 能复合材料研究及应用现状


中国航 天材料与工艺研究所经过40余年的研究与发展,功能复 合材料研究与生产,从原材料开发、应用基础理论、制造工艺和设备、产品性 能检测及标准体等各方面已逐渐成熟,形成了 具有航天特色的功能复合材料技术体系,满足了 不同型号航天产品的需求,为我国 的航天器的发展做出了巨大贡献。


3.1 树脂基功能复合材料


3.1.1树脂基防热复合材料


树脂基 防热复合材料是应用最为广泛的功能复合材料,根据防 热部件形状及性能要求的不同,采用的 成型工艺主要有模压、缠绕和 手糊等成型工艺方法。模压防 热材料大部分采用酚醛树脂作基体,按所用 增强材料可划分为石棉、涤纶、玻璃纤维、高硅氧 纤维和碳纤维几大类,按所用 增强材料的形态,可分为短切纤维模压、碎布模压和层压三种。缠绕方 法主要有平行缠绕、重叠缠 绕以及倾斜缠绕。手糊成 型工艺使用较少,而且大 多为干法手糊成型,主要用 于结构形式较为复杂、非回转体、多曲面异型结构、性能要 求较低的防热部件。


3.1.2 树脂基 防热多功能复合材料


具有诸如结构承载、电磁隐身、抗核加固、烧蚀防热、抗激光 加固等功能特性中的两种或两种以上功能的复合材料称为多功能复合材料。目前国 内获得成功应用的树脂基多功能复合材料主要是烧蚀防热—电磁隐 身复合材料和烧蚀防热—抗冲击损伤—结构承 载多功能复合材料。


烧蚀防热—电磁隐 身多功能复合材料避免了采用传统的涂层隐身材料带来的繁杂的工序和易遭外界力量破坏或降低防热层材料与金属结构件间粘接强度等问题的发生,提高了可靠性,降低了维护成本。该类多 功能复合材料已应用于再入飞行器的防热部件。


传统的 布带缠绕工艺方法增强纤维是两个方向,布层与 布层之间通过酚醛树脂粘连,因此布 带缠绕防热材料存在强度低、易发生 层间开裂等问题。整体编 织物增强酚醛复合材料不但具有很好的烧蚀性能,而且还 具有很好的结构强度和抗冲击损伤能力,具有烧 蚀防热和结构承载、抗冲击 损伤一体化的多功能特性。近年来,该类复 合材料的研制和应用取得了明显的进展,已在多 种航天型号上获得成功应用,如再入 飞行器的防热套、整流罩、弹体防热结构件、发射装 置的导流器防热帽以及导流防热板、发动机支架等。


3.2 碳/碳复合材料


经过30余年的发展,我国碳/碳复合 材料及成型工艺逐渐成熟,先后发 展了液相低压浸渍/碳化、化学气 相沉积等致密化工艺及手段。为了满 足航天产品对碳/碳复合材料高密度、高性能要求,又研制 成功了高压浸渍与碳化工艺及设备。先后研 制成功了整体毡碳/碳复合材料、三向结构碳/碳复合材料、多向编织碳/碳复合材料等多个碳/碳材料品种及工艺。为了满 足当前航天和民用产品批量化、低成本化要求,目前正在开展碳/碳复合 材料低成本制备工艺技术研究。


3.3 陶瓷基功能复合材料


3 .3.1陶瓷基防热复合材料


国内目 前在航天型号上获得应用的陶瓷基防热复合材料主要是碳纤维增强石英基复合材料(以下简称碳-石英)。碳-石英按 制造方法分类有几种:(1) 湿法浸 渍长纤维缠绕碳-石英;(2) 粉末冶金法碳-石英;(3) 织物浸渍法碳-石英。


目前在 航天型号上获得应用的主要有两种:(1) 先采用 湿法长纤维浸渍石英浆、缠绕成胚胎,然后进行热压烧结;(2) 采用粉 末冶金法按一定比例先对短切碳纤维和石英粉进行球磨混料,然后进行冷压和热压。


碳-石英复 合材料已在航天型号中获得成功应用,主要应 用于再入飞行器的头部部件。


3.3.2 陶瓷基耐高温防热/透波及防热/透波/承载多功能复合材料


我国获 得应用的陶瓷基耐高温防热/透波以及防热/透波/承载多 功能复合材料主要为二氧化硅基复合材料。二氧化 硅基透波复合材料是以二氧化硅材料为基体,采用高 硅氧纤维织物或石英纤维织物作为增强体,经浸渍增密、热处理、防潮处 理等工艺技术途径制备的复合材料,具有优良的防热、耐热、透波、承载及抗冲击等功能。


我国经 过二十年的研究工作,已经开 发成功了两种三向石英纤 维编织物增强二氧化硅基复合材料产品、多种高 硅氧穿刺织物增强二氧化硅基复合材料产品,多种2.5D石英纤 维编织物增强二氧化硅基复合材料产品,在我国 的多个航天型号上获得应用。


国内外 也开发研究了磷酸盐基透波复合材料。磷酸盐 基透波复合材料又可以称为无机玻璃钢,是指以 无机磷酸盐为基体,采用石英、高硅氧 或玻璃纤维及其织物增强,具有良 好电磁波透过性能和高温稳定性的一类复合材料。与二氧 化硅基复合材料相比,磷酸盐 基复合材料制造成本较低。目前已 在卫星天线支撑体等部件上获得应用。


3.4 低密度 烧蚀防热复合材料


低密度 烧蚀材料是指密度≤1.0g/cm3的一类烧蚀防热材料,它一般由酚醛树脂、环氧树 脂或硅橡胶为基体,通过引 入空心微球或化学发泡来降低密度,为增强 烧蚀时形成碳化层的强度而引入难熔短纤维或用玻璃钢蜂窝增强。


低密度 烧蚀材料是载人航天及再入返回技术中重要的先进热防护材料。该材料 还可应用于高焓、低热流 密度和长时间使用条件的其它飞行器的防热,如运载火箭整流罩、发动机 底部防热以及巡航及机动飞行导弹等。


该材料 在型号上的应用目前主要用于载人飞船返回舱。


4.功能复 合材料应用前景与发展趋势


为了满 足未来新一代航天器超高速度、机动飞行、重复使 用等高性能指标要求,需要大 量与传统防热复合材料不同的新型防热复合材料。这为防 热复合材料的进一步发展提供了动力。从总体发展趋势来看,防热复 合材料目前主要是向着高性能化、轻质化、多功能化、低成本化等方向发展,继续开 展新材料和新工艺的研究。


(1)高性能化和轻质化:为了满 足新型航天武器型号要求,部分关 键防热复合材料性能要求更高。如,为了进 一步提高航天器落点精度、机动飞行、突防和全天候能力,再入飞 行器的防热层要求烧蚀外形均匀、对称,且具有 尽可能小的烧蚀量;固体火 箭发动机喷管喉衬烧蚀量尽可能的小且烧蚀面规则;为了满 足航天器长时间机动飞行要求,对防热 层材料的隔热性能和密度等均提出了更高要求。

(2)多功能化:为了实 现再入飞行器进一步小型化目标和提高其突防能力,很多防 热部件必须同时具备其它功能,如使防 热复合材料同时具备隐身功能;防热复 合材料具有防热和隔热双功能;某些部 件防热材料同时起承力结构件作用等。


(3)低成本化:低成本 化是功能复合材料发展的大趋势。很多防 热部件希望选用高性能的防热复合材料如碳/碳复合 材料以提高其使用可靠性,仅仅是 由于价格问题而不得不选用可靠性低得多的材料。低成本 化包括采用高生产效率、高成品 率并能充分的发挥材料性能的制造工艺,合理的 材料设计和应用,针对产品的形状、尺寸、结构和 使用要求采用合理的制造工艺等。


具体来讲,树脂基 功能复合材料发展方向是高效防热/隔热技术、长时间 低烧蚀技术以及多功能技术、低成本技术等;碳/碳复合 材料主要是低成本技术和进一步提高烧蚀性能以及烧蚀外形对称技术等;陶瓷基 复合材料主要是低成本制备技术以及新型高性能高温防热/透波材 料及制备技术等;低密度 防热复合材料发展趋势是使其具有多功能,如烧蚀/隔热,烧蚀/吸波,烧蚀/透波等。


5.结束语


综上所述,经过四十余年的发展,我国航 天功能复合材料取得了丰硕的成果,无论是材料品种、工艺还 是综合性能都满足了我国现役航天型号对功能复合材料的需求。根据未 来航天型号的需要,功能复 合材料还须在低成本化、多功能化、轻量化、高性能 化等方面继续发展,一些新 的材料品种急需开展相应研究工作,功能复 合材料研究与应用前景光明。

本文共分 1

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