[發明專利]一種輕質熱解自適應維形高效防熱材料

有效

• 申請號: 201811382561.7
• 申請日: 2018-11-19
• 公開（公告）號: CN109437942B
• 公開（公告）日: 2020-10-20
• 發明（設計）人: 黃海明;趙步月;張博;田野;趙一樸;郭瑾
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B38/00;C04B41/83
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 范盈

本發明屬于航天熱防護領域，本發明在輕質PICA防熱復合材料(酚醛浸漬碳燒蝕材料)的基礎上，解決了現有熱防護材料輕質與維形的矛盾，公開了一種輕質熱解自適應維形高效防熱材料。對碳纖維進行陶瓷包覆，隔離碳纖維與氧氣接觸；殘炭與陶瓷填料在氣動熱作用下燒結成抗氧化的陶瓷表層，同時提高表面熱輻射率，氣動熱作用時間越長，陶瓷表層越厚，表面熱輻射率越高，達到自適應環境的目的。在熱解吸熱與熱解氣體熱阻塞效應的基礎上，引入熱疏導散熱技術、殘炭陶瓷化表層高輻射散熱技術，實現多種防熱機理協同效應，提高防熱效率。本發明可應用于高超聲速臨近空間飛行器的中低熱流熱環境下熱防護系統。

技術領域

本發明公開了一種輕質熱解自適應維形高效防熱材料，可應用于中低熱流熱環境下高超聲速臨近空間飛行器的熱防護系統，屬于航天熱防護領域。

背景技術

高超聲速臨近空間飛行器熱環境的特點為中低熱流、長時有氧、千秒量級。輕質PICA防熱復合材料(酚醛浸漬碳燒蝕材料)是飛行器先進性與可靠性的決定性因素之一，在高超聲速臨近空間飛行器上具有不可替代的優勢，其防熱機理涉及到一系列復雜的物理化學反應過程。隨著高超聲速臨近空間飛行器表面的加熱，輕質PICA防熱復合材料出現分層：原始材料層、熱解層和炭化層。在炭化層表面，殘余的炭和碳纖維與空氣中的氧發生氧化反應，引起材料表面后退，改變飛行器的氣動外形，影響目標精度；同時，氧化反應增加表面熱流，增大線燒蝕率。目前，服役的飛行器防熱材料中，無法同時滿足輕質與維形的需求。因而，解決防熱材料輕質與維形的矛盾至關重要。

發明內容

本發明公開了一種輕質熱解自適應維形高效防熱材料，可應用于中低熱流熱環境下高超聲速臨近空間飛行器的熱防護系統。

本發明為解決防熱材料輕質與維形的矛盾，利用多孔結構降低防熱材料密度，用硅溶膠、添加劑、釔溶膠對經過表面預處理的碳纖維表面進行陶瓷包覆，隔離碳纖維與氧氣接觸，防熱材料線燒蝕率為0，達到材料維形的目的。

本發明的殘炭陶瓷化表層，是在氣動熱作用下，殘炭與陶瓷填料燒結形成的抗氧化的陶瓷表層。殘炭陶瓷化表層保護防熱材料不被燒蝕，同時，提高了防熱材料表面熱輻射率。

本發明的熱疏導散熱技術，通過在陶瓷包覆碳纖維多孔材料表層鋪設經過處理的高導熱率長碳纖維來實現。利用熱疏導散熱技術將熱流疏導至防熱材料整個表層，降低最高熱流區域的熱流密度。

本發明與現有技術相比所具有的優點：

1)本發明通過防熱材料內部的多孔結構實現材料輕質化，材料密度低于0.6g/cm³，大大提高飛行器的有效載荷，陶瓷包覆碳纖維以及殘炭陶瓷化表層，保護防熱材料不被燒蝕，解決了現有防熱材料輕質與維形的矛盾。

2)本發明在氣動熱作用下，殘炭與陶瓷填料燒結形成抗氧化的陶瓷表層。隨著氣動熱作用時間增加，殘炭陶瓷化表層厚度增加，防熱材料表面熱輻射率增加，達到自適應環境的目的。

3)本發明在輕質PICA防熱復合材料熱解吸熱及熱解氣體熱阻塞效應的基礎上，引入熱疏導散熱技術；同時，殘炭陶瓷化表層提高了防熱材料表面熱輻射率，并提高了防熱材料的耐高溫性能。實現多種防熱機理協同效應，比輕質PICA防熱復合材料的防熱效率提高20％。

附圖說明

圖1為現有PICA材料的防熱燒蝕機理示意圖。

圖2為新型PICA材料的熱解自適應維形高效防熱機理示意圖。

圖中符號：q是熱流密度，是碳纖維氧化增加的表面熱流，是熱解氣體的熱阻塞效應，是表面輻射熱流。

具體實施方式