航天飛行器再入/進(jìn)入大氣層時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱，熱防護(hù)系統(tǒng)是確保飛行器內(nèi)部電子元器件和載人空間正常工作所必須依賴的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，而防熱材料是熱防護(hù)系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分。隨著我國(guó)載人航天、探月工程、深空探測(cè)、載人登月等工程的逐步展開，以及新型航天飛行器的迅速發(fā)展，再入速度越來越高，面臨的熱環(huán)境愈發(fā)嚴(yán)酷，氣動(dòng)加熱時(shí)間達(dá)千秒級(jí)以上，加熱量大幅增加，大面積區(qū)域面臨著長(zhǎng)時(shí)有氧環(huán)境的高溫（≥1000 ℃），關(guān)鍵部位瞬時(shí)溫度可達(dá)2000 ℃以上。

20世紀(jì)50年代以來，飛行器熱防護(hù)材料體系和熱防護(hù)方式不斷發(fā)展，尤其以陶瓷瓦、TUFROC為代表的先進(jìn)超輕質(zhì)可重復(fù)使用熱防護(hù)材料，在航天飛機(jī)和X-37B這類先進(jìn)航天飛行器上成功應(yīng)用，引起科學(xué)家和工程師的廣泛關(guān)注。但是，總體來說這類材料可靠性不足、價(jià)格昂貴、裝配工藝復(fù)雜、后期維護(hù)成本高，在一定程度上限制其在航天飛行器上的大量應(yīng)用。樹脂基燒蝕防熱材料是以有機(jī)聚合物為基體，通過一系列化學(xué)和物理變化，犧牲材料自身的質(zhì)量帶走大量氣動(dòng)熱，從而達(dá)到防熱的目的。由于高可靠性、高性價(jià)比、裝配工藝簡(jiǎn)捷，至今仍然被認(rèn)為是最有效、最可靠、最成熟和最經(jīng)濟(jì)的一種熱防護(hù)方式，在飛船、返回式衛(wèi)星、導(dǎo)彈等眾多航天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)中大量使用。

我國(guó)樹脂基燒蝕防熱材料在國(guó)防裝備需求牽引下，經(jīng)過玻璃/酚醛、石英/酚醛和碳/酚醛3個(gè)里程碑式的發(fā)展后，材料體系逐步建立并完善起來。進(jìn)入21世紀(jì)以來，伴隨著國(guó)家航天事業(yè)的逐步開展，燒蝕防熱材料面臨著急迫的減重需求，以蜂窩增強(qiáng)低密度材料體系為代表，開發(fā)出H88，H96兩種代表性低密度樹脂基燒蝕防熱材料（LAC）。

1.低密度樹脂基燒蝕防熱材料

1.1 蜂窩增強(qiáng)低密度防熱材料

我國(guó)在載人航天工程的牽引下，針對(duì)神舟飛船返回艙彈道特點(diǎn)開發(fā)了H88和H96兩種典型的蜂窩增強(qiáng)LAC材料，如圖1所示。H88和H96材料是以玻璃鋼蜂窩格子作為支撐，苯基硅橡膠為樹脂基體，物理共混的方式摻雜石英短纖維、酚醛微球、玻璃微球等輕質(zhì)功能填料，通過整體成型工藝快速填充到玻璃鋼蜂窩格子中。輕質(zhì)功能填料的加入主要用來降低材料密度和熱導(dǎo)率，同時(shí)保證材料表面抵抗氣流沖刷的能力。

圖1 神舟飛船及其防熱材料

在H88和H96的基礎(chǔ)上，對(duì)材料的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進(jìn)行優(yōu)化，開發(fā)了密度分別為0.4 g/cm3和0.5 g/cm3左右的FG4和FG5材料，室溫?zé)釋?dǎo)率≤0.1 W/(m·K)，用于返回器側(cè)壁背風(fēng)面的中低熱流區(qū)。在返回器防熱大底的高熱流區(qū)域，研制了密度分別為0.5 g/cm3和0.7 g/cm3的HC5和FG7材料，室溫?zé)釋?dǎo)率保持在0.10 ~ 0.12 W/(m·K)之間，以增加防熱材料的高駐點(diǎn)燒蝕性能和抗剪切性能，如圖2所示。

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圖2 月球軌道返回器LAC分布及HC5燒蝕后橫截面

1.2 SPQ系列材料

我國(guó)在探月工程以及新型航天飛行器的推動(dòng)下，基于斜纏模壓工藝開發(fā)了SPQ系列中低密度石英/酚醛、玻璃/酚醛體系防熱材料。SPQ材料主要特點(diǎn)是在酚醛樹脂基體中添加大量的酚醛微球、玻璃微球、陶瓷粉體等輕質(zhì)功能填料，以石英纖維和功能纖維編織而成的二維織物為增強(qiáng)相，制成輕質(zhì)雜化預(yù)浸料，通過調(diào)整增強(qiáng)體和樹脂基體配方，制備滿足不同防熱需求的SPQ系列材料。空心小球和微孔的引入，在降低材料密度的同時(shí)，能夠顯著降低材料的熱導(dǎo)率。圖3為SPQ9材料的光學(xué)顯微鏡照片和燒蝕后SEM照片，可以觀察到SPQ9樹脂基體中均勻分散著大量的輕質(zhì)功能填料小球，燒蝕后輕質(zhì)功能填料原位形成微米級(jí)的閉孔結(jié)構(gòu)。

圖3 SPQ9材料光學(xué)顯微鏡照片（a）及燒蝕后的電子顯微鏡照片（b）

SPQ系列材料是在傳統(tǒng)斜纏模壓工藝上改進(jìn)而來的繼承性材料，同傳統(tǒng)致密型玻璃/酚醛、石英/酚醛防熱復(fù)合材料相比，SPQ材料密度最大可降低43%左右，室溫?zé)釋?dǎo)率降為傳統(tǒng)防熱材料的50%左右，已經(jīng)成功應(yīng)用于月球軌道返回器（圖4）和武器裝備關(guān)鍵部位的熱防護(hù)。
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圖4 SPQ9材料制備的月球軌道返回器拐角環(huán)產(chǎn)品（直徑1.2 m）

1.3 防隔熱一體化低密度樹脂基防熱材料

20世紀(jì)90年代，為滿足深空探測(cè)、空天往返等先進(jìn)航天飛行器的防熱和隔熱需求，進(jìn)一步壓縮熱防護(hù)系統(tǒng)在總系統(tǒng)的質(zhì)量占比，以美國(guó)為主的航天強(qiáng)國(guó)相繼開發(fā)出新型防隔熱一體化超低密度燒蝕防熱材料，典型代表有PhenCarb，BLA，SCRAM，PICA和SIRCA材料。這類材料的共同特點(diǎn)具有超低密度（≤0.35 g/cm3）、超低熱導(dǎo)率、防熱和隔熱功能兼容。我國(guó)在探月工程月地高速再入返回器和新型航天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對(duì)再入軌道高熱流峰值、高焓值、長(zhǎng)時(shí)加熱和有氧氣氛的熱環(huán)境特點(diǎn)，多家研究單位和高校（如：航天材料及工藝研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華東理工大學(xué)等）同期開展了新型低密度防隔熱一體化材料的研制工作。

以多孔雜化酚醛樹脂為基體，通過改變?cè)鰪?qiáng)體纖維組織結(jié)構(gòu)，開發(fā)出密度在0.25 ~ 1.3 g/cm3之間可調(diào)可控的DMC，DMS，ZMS系列防隔熱一體化復(fù)合材料。這類材料典型特點(diǎn)是將氣凝膠材料的微納開孔結(jié)構(gòu)引入到復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，大幅降低材料的熱導(dǎo)率，顯著提高其隔熱性能。圖5為不同纖維組織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體制備的LAC防隔熱一體化材料的微觀形貌照片。利用酚醛氣凝膠燒蝕炭化后的“形態(tài)復(fù)制效應(yīng)”，炭層結(jié)構(gòu)保持氣凝膠疏松多孔形態(tài)，既有效降低炭層熱導(dǎo)率，又能提高表面的輻射散熱。多孔雜化樹脂中的納米功能組元，提高了樹脂基體和炭化層的耐燒蝕、抗剪切、抗氧化和力學(xué)性能，進(jìn)一步降低材料熱導(dǎo)率。

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圖5 幾種典型防隔熱一體化LAC的微觀形貌（a）DMC3；（b）DMS6；（c）ZMS12

1.4 多功能一體化輕質(zhì)防熱材料

目前，在多功能一體化樹脂基燒蝕防熱材料領(lǐng)域我國(guó)基本處于國(guó)際前沿領(lǐng)域的行列。近年來，研究團(tuán)隊(duì)相繼開發(fā)出適用于多重復(fù)雜熱環(huán)境的輕質(zhì)防熱/隔熱/維形、防熱/隔熱/隱身、防熱/隔熱/承載、防熱/隔熱/阻燃等多功能一體化材料。

面向新型航天飛行器減重、防熱、隔熱和雷達(dá)隱身的需求，開發(fā)了輕質(zhì)防熱/隔熱/隱身一體化材料（HRC）。為滿足航天飛行器關(guān)鍵熱防護(hù)部位高溫下熱力承載的需求，開發(fā)出密度≤1.2 g/cm3的防熱/隔熱/承載一體化復(fù)合材料（HIS）。針對(duì)運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部位裙擺防熱材料點(diǎn)火時(shí)明火燃燒的現(xiàn)象，發(fā)明了防熱/隔熱/阻燃多功能融合的一體化材料，有效地解決了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)防熱擺裙出現(xiàn)明火的現(xiàn)象。

隨著先進(jìn)航天飛行器以及飛行控制技術(shù)的不斷發(fā)展，飛行器彈道方式和飛行熱環(huán)境日趨多樣化和復(fù)雜化，對(duì)防熱材料的功能性提出更多和更嚴(yán)苛要求，防熱材料的多功能一體化是一次性解決未來航天飛行器先進(jìn)熱防護(hù)系統(tǒng)的重要技術(shù)手段。

2 低密度樹脂基燒蝕防熱材料研究展望

2.1多功能兼容與集成化

防熱結(jié)構(gòu)輕量化是航天飛行器持續(xù)的追求目標(biāo)，熱防護(hù)系統(tǒng)的多功能化和功能集成化是先進(jìn)航天飛行器發(fā)展的必然需求。隨著智慧航天飛行器概念的出現(xiàn)，未來將對(duì)航天飛行器熱防護(hù)部位進(jìn)行分區(qū)域、變材料、變功能、變厚度、變外形等精細(xì)設(shè)計(jì)與制造，新型高性能樹脂基體、連續(xù)功能梯度復(fù)合材料與柔性適形防熱材料將會(huì)是低密度樹脂基防熱材料的重點(diǎn)發(fā)展方向。

防熱材料是再入/進(jìn)入航天飛行器抵御氣動(dòng)熱環(huán)境的屏障，構(gòu)成了最外層結(jié)構(gòu)，除了要滿足氣動(dòng)和防熱需求外，還必須具備隔熱、抗沖刷、熱力承載、氣動(dòng)維形等多重功能。隨著航天飛行器飛行熱環(huán)境的日趨嚴(yán)酷，加熱時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，熱防護(hù)系統(tǒng)嚴(yán)苛的質(zhì)量約束，低密度樹脂基燒蝕防熱材料的發(fā)展趨勢(shì)必然是在輕量化的前提下，實(shí)現(xiàn)防熱、隔熱、氣動(dòng)維形、熱力承載、隱身、阻燃等多重功能的兼容與集成，簡(jiǎn)化熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、裝配與維護(hù)成本，是未來低密度樹脂基燒蝕防熱復(fù)合材料發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2.2多重?zé)岱雷o(hù)機(jī)制協(xié)同作用

燒蝕防熱材料在氣動(dòng)熱環(huán)境下做出一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)響應(yīng)，材料與熱環(huán)境之間高度耦合，材料本體發(fā)生非穩(wěn)態(tài)的傳質(zhì)傳熱過程，有關(guān)樹脂基燒蝕材料防熱機(jī)理的研究一直被認(rèn)為是最具科學(xué)挑戰(zhàn)性的課題。材料在燒蝕過程中，大量的氣動(dòng)熱以對(duì)流和輻射的形式加熱材料表面，隨之發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，樹脂基體發(fā)生分解并帶走大量的來流熱量，熱解產(chǎn)物形成多孔炭化層，如圖6所示。闡明樹脂基燒蝕防熱材料中各種防熱機(jī)制在整個(gè)熱防護(hù)過程中的作用機(jī)理以及在總熱效應(yīng)中的比重，揭示各種防熱機(jī)制之間的相互耦合作用，探明非穩(wěn)態(tài)燒蝕過程中材料本體傳熱傳質(zhì)過程，掌握材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，有助于實(shí)現(xiàn)低密度樹脂基燒蝕防熱材料體系防熱、隔熱和其他功能間的協(xié)同設(shè)計(jì)與匹配，對(duì)新型樹脂基LAC材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開發(fā)、制備與工程應(yīng)用具有十分重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。
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圖6 燒蝕材料燒蝕過程中復(fù)雜的物理和化學(xué)變化轉(zhuǎn)自：復(fù)合材料與工程

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