解决航空航天领域材料耐高温问题

        在使用航天材料的过程中，航天材料往往会处于超高温的状态，并且还存在一定的高温突变，服役条件极为恶劣。耐高温一直是各国在热防护材料领域的重点研究方向，材料可承受的温度越高，其热防护特性越好，也意味着具备更好的高温稳定性。

一、 温度环境情况

       1、高温环境

       航天器在大气层中以高超声速飞行，其头部和发动机燃烧室内壁的温度高达2100℃以上，因此材料必须能耐受2100℃的高温。另外，航天器各部分的温差极大，最高可达1600℃。当航天飞行器以超高速再入大气层时，会应形成气动加热流场，具有高温、高压和高热流的特征。在气动加热下，其表面温度高达4000～8000℃。

       发动机是飞机的“心脏”，其性能的优劣制约着飞机的能力，而发动机性能的提高又与所使用的耐高温结构材料密切相关。固体和液体火箭发动机工作时，燃烧室产生的高速气流冲刷喷管，长时间工作在1600 ℃左右的高温恶劣环境中，烧蚀最苛刻的喉衬部位温度瞬间可超过3000℃。

       随着飞机航程的加长和速度的提高，要求发动机推力、推重比（发动机推力与重量之比）越来越大，这就意味着发动机的压力比、进口温度、燃烧室温度以及转速都须极大地提高。众所周知，推重比的提高取决于发动机涡轮前进口温度的提高：对于推重比在15～20以上的发动机，其涡轮前进口温度最高达2227～2470℃。由此可见，航空发动机性能的提高有赖于高性能材料的突破。

       2、冷热循环

       航天材料不仅会处于超高温的状态，并且还存在一定的高温突变。在空间环境下长期服役的航天器在低地球轨道运行期间需要反复进出地球阴影，当进入地球阴影后，航天器将向周围的“冷背景空间”辐射能量而使其表面温度降低；当运行出地球阴影后，航天器将吸收来自太阳辐射的能量而使其表面温度升高。

       因此，航天器在轨运行期间随轨道高度、季节和隔热措施的不同，将遭遇环境温度的交替变化，在空间飞行时环境温度的变化范围可达到-170 ℃~+120 ℃。若轨道周期约为90 min，工作寿命为30年的航天器将承受175200次左右的热循环[1]。在地球同步轨道中，每年星蚀的次数为92次，最长的星蚀持续时间为72分钟，其中80次星蚀可使太阳电池翼板的温度从60 ℃骤然下降到-190 ℃，若航天器工作寿命为5年，它将接近500次的热循环[2]。

二、 温度因素对航天材料的损伤

       航天器材所处的空间环境温度以及冷热交变都有可能会使航天材料发生热分解、分子降解、出气污染或疲劳损伤等情况，造成材料的可操作、电学、力学和光学等性能发生变化。火箭喷嘴等相关部件常常面临高温氧化甚至开裂问题，对其强度和耐高温抗氧化性能提出严峻挑战。

       长期的热循环作用也可能使结构材料中产生热应力，使材料发生疲劳，进而导致材料物理性能及力学性能的退化，从而对航天器的稳定性、安全与寿命造成威胁。地球轨道中的热循环会使材料发生热应变，温度变化范围越大，结构的变形越严重。大的热变形使人造卫星上的太阳电池阵结构在轨道中展开困难，并且会影响大型抛物面天线结构的尺寸精度[3]。

三、 对航天材料要求

       1、耐高温

       高温稳定性是高超声速飞行器、货运飞船等航天飞行器在再入空间、经过极端恶劣热环境时所必需具备的性能，往往通过涂覆高温涂层或采用耐高温材料作承力结构的方式实现。

       2、耐冷热交变

       冷热交变要求材料的线膨胀系数小，结构变形小，如天线和天线支架，如果变形大，天线的指向精度就差，天线的增益降低[3]。

四、 新型耐高温航天材料

       伴随着机动式飞行器和高超声速飞行器的发展，传统的防热材料不能满足其大气层内长时间机动飞行要求。尤其高性能航空发动机，对材料的性能提出了更高要求，对耐高温性能的需求显著。

       航空发动机对高温结构材料的需求强烈地推动了高温合金、金属间化合物、陶瓷基和金属基复合材料、碳-碳复合材料以及金属陶瓷的迅速发展，首先应用于飞机结构的碳纤维增强复合材料，现已迅速推广至其他领域。飞行器的轻质化需求推动了复合材料的发展，使材料复合化成为新材料的重要发展趋势之一[4]。

       复合材料

       航天材料的发展促使高温材料通过复合材料的方式进行研制。国外先后开发了一系列高温性能和工艺性良好的耐热树脂基复合材料。金属硅化物的熔点很高（高于2000 ℃），其在1600 ℃下具有很好的热稳定性、防氧化性以及良好的力学性能，近年来已成为高温材料研究的新热点，有代表性的产品如硅化镍（Nb5Si3）、硅化钛（Ti5Si3）、硅化锆（Zr5Si3）等。

       陶瓷材料

       陶瓷材料是热防护领域的重点研究对象。2017年，英国曼彻斯特大学研制出可承受3000 ℃高温的Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 新型超高温抗烧蚀陶瓷涂层，我国中南大学也参与了其研制工作。经实验验证，该材料在2500℃下的烧蚀性能比目前广泛使用的超高温ZrC陶瓷高出12倍，具有比同类材料更优异的抗烧蚀、抗氧化和隔热特性，有望在2000℃～3000℃高温环境下服役，用于高超声速飞行器的鼻锥、前缘等严重受热部位，以及其他再入航天飞行器和导弹的热防护系统，避免飞行器及其电子设备因热防护失效问题出现事故[5]。

       高温合金

       高温合金是指以铁、镍、钴为基体材料，能在高温和应力作用下长期工作的特定金属材料。经过数十年的发展，高温合金已较为成熟，并在武器装备动力装置上获得广泛应用。随着材料的更新换代，发动机的涡轮进口温度也从第一代的777～1027℃跃升至第四代的1577～1715℃[6]。

       与纯金属及合金材料相比，金属间化合物具有极好的耐高温和耐磨性能，用于替代传统的镍基高温合金、镍基单晶合金等，如Ti-Al合金和富铌γ-TiAl合金的塑性和韧性都有很大提高，已在航空发动机叶片中得到应用。

       纳米高温材料

       国外一方面重点研发传统耐高温复合材料，另一方面开始关注纳米高温材料。2017年，美国宾汉姆顿大学与NASA的研究人员共同研制出轻质、高强、耐高温氮化硼纳米管材料[6]。对比发现，碳纳米管只能在400 ℃下保持高温稳定性，而氮化硼纳米管能在900℃下保持高温稳定性，与其他传统耐高温材料复合后，可大幅提高整个材料的高温稳定性，保障飞行器严重受热部位的安全，有望应用于提升航天器受热部位高温稳定性。

我们的服务

       我们在北京航空航天新材料产业集群新材料需求专家研讨会（技术成果对接会）上，充分了解中国航天科工集团分别对于隔热材料和耐烧蚀材料的迫切需求。

        针对需求方提出关于隔热材料和耐烧蚀材料的应用背景和指标要求，借助北京市航空航天新材料集群资源优势，我们充分发挥创新资源，利用专家库和成果库，精准挖掘高校科研院所现有的技术成果。

        未来，我们将通过需求对接，共同研究隔热问题解决方案与材料应用方案、耐烧蚀问题解决方案与材料应用方案，探讨双方深度合作与发展模式。

参考：

1.Guozheng Liang, Mingxi Zhang. Enhancement of Process-ability of Cyanate Ester  Resin  via  Copolymerization  with  Epoxy  Resin. Journal of Applied Polymer Science. 2002, (85): 2377~2381.

2. 柯受全 主编，卫星环境工程和模拟试验（下）[M]. 宇航出版社，1996：283-295.

3. 高禹, 李志君, 杨德庄. 真空热循环对单向 M40J/5228A 复合材料质损率和线膨胀系数的影响[J]. 复合材料学报. 2004, 21(6): 108~113.

4. 颜鸣皋. 航空材料技术的发展与应用[J]. 新材料产业. 2009. 10. 24-27.

5. 特日格乐，贾平，李虹琳，航天材料领域发展综述[J]. 中国航天. 2018（7）.

6. 吴凯，张铁军，姚为，韩维群，航天新型高性能材料的研究进展[J]. 宇航材料工艺.2017（6）.