一种轻质热解自适应维形高效防热材料的制作方法

本发明公开了一种轻质热解自适应维形高效防热材料，可应用于中低热流热环境下高超声速临近空间飞行器的热防护系统，属于航天热防护领域。

背景技术：

高超声速临近空间飞行器热环境的特点为中低热流、长时有氧、千秒量级。轻质pica防热复合材料(酚醛浸渍碳烧蚀材料)是飞行器先进性与可靠性的决定性因素之一，在高超声速临近空间飞行器上具有不可替代的优势，其防热机理涉及到一系列复杂的物理化学反应过程。随着高超声速临近空间飞行器表面的加热，轻质pica防热复合材料出现分层：原始材料层、热解层和炭化层。在炭化层表面，残余的炭和碳纤维与空气中的氧发生氧化反应，引起材料表面后退，改变飞行器的气动外形，影响目标精度；同时，氧化反应增加表面热流，增大线烧蚀率。目前，服役的飞行器防热材料中，无法同时满足轻质与维形的需求。因而，解决防热材料轻质与维形的矛盾至关重要。

技术实现要素：

本发明公开了一种轻质热解自适应维形高效防热材料，可应用于中低热流热环境下高超声速临近空间飞行器的热防护系统。

本发明为解决防热材料轻质与维形的矛盾，利用多孔结构降低防热材料密度，用硅溶胶、添加剂、钇溶胶对经过表面预处理的碳纤维表面进行陶瓷包覆，隔离碳纤维与氧气接触，防热材料线烧蚀率为0，达到材料维形的目的。

本发明的残炭陶瓷化表层，是在气动热作用下，残炭与陶瓷填料烧结形成的抗氧化的陶瓷表层。残炭陶瓷化表层保护防热材料不被烧蚀，同时，提高了防热材料表面热辐射率。

本发明的热疏导散热技术，通过在陶瓷包覆碳纤维多孔材料表层铺设经过处理的高导热率长碳纤维来实现。利用热疏导散热技术将热流疏导至防热材料整个表层，降低最高热流区域的热流密度。

本发明与现有技术相比所具有的优点：

1)本发明通过防热材料内部的多孔结构实现材料轻质化，材料密度低于0.6g/cm³，大大提高飞行器的有效载荷，陶瓷包覆碳纤维以及残炭陶瓷化表层，保护防热材料不被烧蚀，解决了现有防热材料轻质与维形的矛盾。

2)本发明在气动热作用下，残炭与陶瓷填料烧结形成抗氧化的陶瓷表层。随着气动热作用时间增加，残炭陶瓷化表层厚度增加，防热材料表面热辐射率增加，达到自适应环境的目的。

3)本发明在轻质pica防热复合材料热解吸热及热解气体热阻塞效应的基础上，引入热疏导散热技术；同时，残炭陶瓷化表层提高了防热材料表面热辐射率，并提高了防热材料的耐高温性能。实现多种防热机理协同效应，比轻质pica防热复合材料的防热效率提高20％。

附图说明

图1为现有pica材料的防热烧蚀机理示意图。

图2为新型pica材料的热解自适应维形高效防热机理示意图。

图中符号：q是热流密度，是碳纤维氧化增加的表面热流，是热解气体的热阻塞效应，是表面辐射热流。

具体实施方式

本发明将经过处理的短切碳纤维与硅溶胶以及添加剂均匀混合，进行抽滤制成硅化物陶瓷包覆碳纤维材料湿坯，再与经过处理的高导热率长碳纤维进行干燥、模压、烧结工艺制成硅化物陶瓷包覆碳纤维多孔预制体。将硅化物陶瓷包覆碳纤维多孔预制体浸渍于钇溶胶中，经干燥、烧结工艺后制成硅化物、钇化物、硅酸钇陶瓷包覆碳纤维多孔预制体。

本发明在酚醛树脂中引入硼、锆、硅等无机物元素，制成无机物共混改性酚醛树脂。通过改性树脂的热稳定性表征以及高温陶瓷化后热辐射系数表征，来优化无机物配比，最终制备出改性酚醛树脂。

本发明将陶瓷包覆碳纤维多孔预制体浸渍于改性酚醛树脂中，经过干燥、固化工艺后制备出轻质热解自适应维形高效防热材料。

技术特征：

技术总结
本发明属于航天热防护领域，本发明在轻质PICA防热复合材料(酚醛浸渍碳烧蚀材料)的基础上，解决了现有热防护材料轻质与维形的矛盾，公开了一种轻质热解自适应维形高效防热材料。对碳纤维进行陶瓷包覆，隔离碳纤维与氧气接触；残炭与陶瓷填料在气动热作用下烧结成抗氧化的陶瓷表层，同时提高表面热辐射率，气动热作用时间越长，陶瓷表层越厚，表面热辐射率越高，达到自适应环境的目的。在热解吸热与热解气体热阻塞效应的基础上，引入热疏导散热技术、残炭陶瓷化表层高辐射散热技术，实现多种防热机理协同效应，提高防热效率。本发明可应用于高超声速临近空间飞行器的中低热流热环境下热防护系统。

技术研发人员：黄海明;赵步月;张博;田野;赵一朴;郭瑾
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：2018.11.19
技术公布日：2019.03.08