应用于高超音速飞行器的防热材料

2016年夏季学期《航空材料与制造》

课程论文

题目：应用于高超音速飞行器的防热材料

一、概述

高超音速飞行器：指的是飞行速度在五马赫（约6000km/h）以上的飞行物体，主要包括3大类：高超音速巡航导弹、高超音速飞机和航天飞机。高超音速飞行器所采用的超音速冲压发动机被认为是继螺旋桨和喷气推进之后的“第三次动力革命”。除了美国外，俄罗斯、中国、法国、日本、印度、澳大利亚等国也在积极地开展相关的科研实验，他们看重的正是其在军事应用方面的诱人前景。“防热材料”亦称“耐高温烧蚀材料”，是高超音速飞行器的必备材料之一，在火箭发动机喷管，飞行器的端头，外蒙皮，航天飞机机翼前缘，发动机叶片等部位都有着重要的应用。

二、高超音速飞行器所面临的技术瓶颈

被视为“下一代飞行技术”的高超音速飞行，因为其超过五倍音速的超高飞行速度，所面临技术难题是不言而喻的，要实现飞行器高超音速飞行，必须突破高超音速发动机技术和一体化设计技术，如飞行器机体和推进系统设计一体化、气动设计一体化、结构设计一体化等技术，以及材料与结构技术、高超音速空气动力技术、燃料高超音速推进系统、高超音速地面模拟和飞行试验技术等。其中最重要的我想还是飞行器动力问题和与之而来的材料使用问题的解决，这两个问题也正是高超音速飞行器在研发过程中所面临的关键性技术瓶颈，美国、俄罗斯、日本等国在这些方面的研究投入与日俱增，可见高超音速飞行器的开发已经成为了世界各个强国所瞄准的新一代国防技术开发前沿。

在现有的高超音速飞行器的研究实验中，绝大多是都是采用冲压发动机作为飞行器的动力来源。冲压发动机是一种利用迎面气流进入发动机后减速，使空气提高静压的一种空气喷气发动机。它通常由进气道（又称扩压器）、燃烧室、推进喷管三部组成。冲压发动机没有压气机（也就不需要燃气涡轮），所以又称为不带压气机的空气喷气发动机。按应用范围划分，冲压发动机分为亚音速、超音速、高超音速三类，应用于高超音速飞行器上的又叫做超燃冲压发动机。冲压发动机结构简单，重量轻，成本低。在飞行马赫数大于3的条件下使用,有较高的经济性。它的缺点是不能自行起动，须用其他发动机作为助推器，而且只有飞行器达到一定飞行速度后才能有效工作。为了在发动机工作前达到冲压发动机的工作速度，现有的两种可以采取的解决方式一种是通过有其他飞行器投放的助推滑翔式的起飞，如美国正在研制的X-43和X-51型飞行器。或者是采用一种涡轮喷气发动机和超燃冲压发动机组合的混合动力，“黑鸟”系列侦察机就是非常典型的例子。

超燃冲压发动机因为其独特的工作原理和使用条件，不仅对其发动机的一体化设计提出了很高的要求，同时在所用材料的性能方面也有着十分苛刻的要求。首先是燃烧室的温度可达2500℃以上，面临的压力和粒子冲刷强度也远远超过现在一般飞机所装配的涡扇发动机。其次是因为飞行器高速飞行时与空气中的粒子摩擦的产生大量的热量，而产生热量的部位主要集中在高超音速飞行器鼻锥，翼缘等重要部位，这些热量如果不能及时导走或加以防护就会对飞行器的内部结

构造成极大地威胁，从而出现一些极端的损坏事故的发生。无论是在发动机部位还是在飞行器的外壳结构材料，在长时间服役时都对其性能的稳定性提出了很高的要求。

三、高超音速飞行器上使用的高温材料

随着高超音速飞行器研制工作的发展，人们开始发现高温防热材料逐渐成为制约高超音速飞行器领域发展的关键性工程材料，为了保护飞行器内部构件的安全工作和超燃冲压发动机的正常运转，高超音速飞行器所使用的防热材料必须具备以下两个方面的作用：首先，保持良好的气动外形，可以确保飞行器保持正确的飞行姿势以及航行轨迹；其次，能够很好地隔绝外部热量，使飞行器的内部构件维持在正常的工作范围内。因此，为了使防热材料能够在高温、高压和高速气流、粒子流冲刷的苛刻环境下正常使用，研究防热材料在苛刻环境下的宏观气动外形及内部微观组织的演变过程，以此来推断防热材料的烧蚀行为及烧蚀机理就显得尤为重要。

现有的防热材料主要包括难熔金属材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料和石墨及其复合材料等。每种材料体系都有其各自的缺点与不足：难熔金属材料主要代表是钨渗铜复合材料，其高温强度与抗热震问题存在一定的冲突，且成本高、密度大、难以加工和抗氧化性差等缺点，都严重限制了其应用；能够在2000℃以上氧化氛围中使用的陶瓷和陶瓷基复合材料并不多，现研究最多的是碳化物和硼化物，但他们的抗氧化性能相对较差，材料的本质脆性使其断裂韧性较低，且加工难度较大；碳/碳复合材料在高温环境下自身的抗氧化性能和耐烧蚀性能较差，因此国内外研究学者将碳/碳复合材料的改性研究作为该材料体系的研究重点，通常采用难熔碳化物如SiC、HfC、TaC、NbC、ZrC 等涂层来提高其抗氧化能力，但是由于性能匹配问题，涂层系统在1700℃以上的使用效果并不理想，同时碳/碳复合材料制作工艺比较复杂，成本较高也限制了其应用；石墨渗金属材料体系中研究最深入的是石墨渗铜复合材料，但研究发现铜的渗入并没有起到提高复合材料耐烧蚀性能的效果。但石墨材料本身仍具有优异的性能，如良好的热膨胀性能、优良的化学稳定性、优异的高温力学性能以及耐烧蚀性能等，对其进行深入的科学研究仍然具有非常重要的工程意义。

在防热材料的研究和应用领域中，难熔金属及其复合材料由于其高熔点、耐高温以及优良的耐腐蚀性能等优点得到最早和最广泛的关注。在耐高温难熔金属领域中主要涉及Nb、Mo、Tc、Ru、Hf、Ta、W、Re、Os 和Ir 等，研究和应用最广的难熔金属是钨和铼等，熔点和密度是衡量难熔金属是否适合作为防热材料使用的关键性因素。金属钨（W）在所有难熔金属中具有最高的熔点，熔点可以达到3410℃，但同样存在较大的缺点，其密度较大（高达19.3 g?cm-3），且在较低温度的环境下呈现出一定的脆性，强度降低，使其作为结构材料受到一定程度的限制。为了改善金属钨的使用性能，扩大其使用领域，目前得到广泛应用的是固体火箭发动机的钨渗铜喉衬。钨渗铜喉衬是指将钨粉在一定条件下烧结制得多孔结构的钨骨架，然后在高温环境下将熔融金属铜浸渗入钨骨架中，制得钨渗铜喉衬；二者本质上是一种复合材料，一种二元“假合金”。研究表明钨骨架

的密度对材料的拉伸强度有显著影响，而且钨骨架的晶粒细化作用对钨渗铜材料有明显的强化作用。将铜熔渗入钨骨架中制得钨渗铜喉衬的目的是为了使铜在固体火箭发动机高温燃气流的环境下发挥发汗冷却的作用，以此降低喉衬部位温度，提高材料的耐高温性能。同时有研究表明，喉衬部位的热环境不足以使铜产生足够的相变，发挥有效的发汗冷却作用；但铜的加入可以明显降低钨渗铜材料的后期加工处理难度。宋桂明、孟庆昌等人通过在钨渗铜喉衬材料中进一步添加碳化锆、碳化钛颗粒等来提高材料的耐高温性能，在降低钨渗铜材料密度的前提下显著提高了材料的力学性能。

陶瓷基复合材料是指以难熔金属碳化物（如碳化锆、碳化铪和碳化钽等）或硼化物等为基体，通过添加纤维、晶须或颗粒等手段制成的一种由两相或多相构成的复合材料体系。与其他材料体系相比，陶瓷基复合材料具有相对较高的熔点、良好的导热性能以及在高温环境下仍可保持优良的力学性能，这一点与石墨材料极其相似。加之陶瓷基复合材料具有可以适应高速长时间的高温环境的优点，因此，陶瓷基复合材料被广泛应用于固体火箭发动机及高声速飞行器的关键防热部件及构件。高超声速飞行器的工作环境是长时间的高温有氧环境，陶瓷基复合材料在使用过程中应将其高温抗氧化问题视为首要关注点；同时，由于面临较快升温速率造成的严重的气动加热问题，陶瓷基复合材料的抗热震问题也得到了相应的重视。陶瓷材料在高温环境下的抗氧化机理可归纳理解为：陶瓷材料在高温环境下发生氧化反应，形成具有一定黏度和致密度的氧化物层，这些氧化物层可以有效的通过其中含有的玻璃相物质填充在陶瓷材料氧化物层中的裂纹和缺陷，降低甚至阻止氧环境中氧与陶瓷材料的进一步接触，达到高温抗氧化的目的。抗氧化能力的优劣决定了陶瓷基复合材料的最优使用的温度范围，但陶瓷材料的本质脆性却在一定程度上限制了其广泛的应用。结构决定材料的性能，陶瓷材料中以离子键和共价键为主要的结合方式，这两种键合的性质（方向性强，结合强度高）决定了陶瓷材料的本质脆性。因此，当陶瓷材料在高温环境中承受热冲击时，材料本身出现裂纹等缺陷是不可避免的，对于陶瓷材料的增韧问题本质上是通过消耗裂纹扩展所需的能量实现的。目前，关于陶瓷材料的增韧方式主要有引入第二相（颗粒、晶须和纤维等）增韧和改善陶瓷材料的结构增韧等。

C/C 复合材料在惰性气氛保护环境下具有优异的高温力学性能，但由于碳元素特殊的性质，C/C 复合材料在空气环境下400℃便开始发生氧化现象，且随着温度的升高，氧化速度逐渐加快。因此，为了使得C/C 复合材料更好的满足在高温环境下的正常使用，提高其抗氧化性能和耐烧蚀性能是目前国内外研究学者研究和关注的重点。目前，基体改性技术和抗氧化涂层技术是改善C/C 复合材料抗氧化性能和耐烧蚀性能的两种重要方法，且得到了广泛而深入的研究。C/C 复合材料的基体改性技术是指在C/C 复合材料制备过程中添加难熔金属

化合物等抗氧化组分，制得一种可以在高温环境下保持优异抗氧化及耐烧蚀性能复合材料的技术。利用基体改性技术可以显著提高C/C 复合材料的高温抗氧化性能及耐烧蚀性能，但是当经过基体改性的C/C 复合材料在高温燃气流的侵蚀作用下仍然存在较高的氧化烧蚀速度，且基体改性后的C/C 复合材料在使用过程中不能很好的实现与氧气完全隔绝的目的，经基体改性的C/C 复合材料的高温抗氧化性能和耐烧蚀性能仍受到强烈的挑战。因此，利用在C/C 复合材料表面制备涂层的技术可以显著并有效提高C/C 复合材料的高温抗氧化性能和耐烧蚀性能。C/C 复合材料表面的涂层可以有效保护C/C 复合材料不被高温有氧环境侵蚀，并将恶劣的烧蚀环境的与复合材料完全隔离，可以很好的隔绝有氧环境并抑制有氧气氛向材料内部的进一步扩散。

四、哈工大金属基复合材料研究所的防热材料研究

哈工大金属基复合材料研究所是由武高辉教授在国内较早创办的金属基复合材料研究所，自成立以来已经开发出二十多种新型的金属基复合材料，远远超过国内的同类研究所，在国际上也具有先进水平。武老师的科研团队很早就开始致力于高温防热材料的研究工作，并取得了突出的成就。

哈工大复合材料研究所所设计的的新型金属基复合材料，采用了不同于一般防热材料的设计思路。“因势利导”、“以柔克刚”是哲学里面的重要概念，在金属复合材料研究所的新型材料设计中被表露的淋淋尽致。新的防热材料体系以石墨或者是C/C材料为基体，在其孔隙中渗入还原性金属，这种还原性金属应当具有3重作用：一是依靠自身的液化、气化来消耗外界的热量；二是气化后还要消耗外界的氧，从而切断基体氧化的源头；三是高温氧化后在表面自发生成氧化物陶瓷膜，保护基体不被烧蚀。这样，以往的“忍受”高温的防热机理变成了“利用”高温和氧环境的新的机理，将热能与氧化物质有效利用，从而达到一种主动防热的效果。这是一种新的耐烧蚀机理，称之为耗散防热机理。这个过程包含了“热耗散”和“氧耗散”，称这种材料为“耗散防热材料”。还原性金属此时不再体现作为金属材料的机械特性而是发挥其物理和化学属性，称之为“耗散剂”。从防热机理上看，该材料综合了汇热防热、辐射防热、烧蚀防热、发汗防热等现行防热材料的各种防热形式，之外还包含相变防热的新形式。

经过初步实验表明，这种高性能、低成本的防热材料具有耐高温、耐氧气流冲刷的特性，在几种烧蚀条件下均表现出良好的抗热震性能和抗烧蚀性能。耗散防热材料在烧蚀过程中，耗散剂吸收大量的液化和汽化潜热，使材料表面以及内部温度明显低于环境温度，有效减缓了材料内部的温度载荷，同时表面生成的胶状陶瓷膜有效保护材料不被热化学烧蚀。但是耗散剂的动态消耗速率决定了其有效寿命，所以预计在高超音速飞行器的机翼前缘、鼻锥、火箭发动机喷管等短时

高温环境下会有应用潜力，与目前的防热材料相比，成本低得多，而且可以简单地加工成各种形状。这种新型防热材料还可以根据烧蚀条件在一定范围内调整或选择不同沸点的耗散剂，以适应不同的使用温度，而且这种材料具有可加工性，对飞行器设计者具有吸引力。

五、结语

从现在各国的研究现状来看，高超音速飞行器必定会成为世界各国所争夺的下一代战斗机的制高点，所以自然而然地就成为了许多国家重要的发展战略。经过这么一些年的研究，高超音速飞行器的飞行理论早已不再是瓶颈，现在所面临的最关键的就是如何开发和使用合适的材料的问题了，这样一个亟待解决的问题似乎就决定了一个投入巨大金额的高超音速飞行器计划是否能够完成。不难理解，在高超音速飞行器所面临的所有材料问题中又以高温防热材料的选择最为关键，这也是为什么高温材料在航天和航空研究领域占据如此重要的地位的原因。

最后还得要感谢王老师给我们带来航空材料这门课，虽然说因为种种原因课堂的到勤率并不是很好，但对我自己来说不得不承认受益匪浅，起码对于航空航天飞行器的各个部件与其所使用的材料类型有的初步的了解和大概的印象，也明白了各种飞机或火箭发动机的工作原理和工作条件。