[发明专利]一种耐烧蚀轻质防热隔热一体化复合材料及其制备方法

说明书

提供了一种耐烧蚀轻质防隔热一体化复合材料，该复合材料为夹心结构，中间层以短切纤维为增强体，以酚醛树脂为基体，空心微珠作为隔热填料，上下表面层采用纤维布预浸料贴合，三层共固化提高承载和抗冲刷能力；其制备方法包括陶瓷粉处理、短切纤维和纤维布预处理、混料、烘干、料浆配制、涂刷或浸渍、装模、固化成型和脱模八个步骤。本发明的复合材料能应用于中低热流密度的烧蚀工况，该复合材料一次性成型，制备周期短、成本低，在800～1300℃温度范围表面能形成稳定的耐烧蚀陶瓷层，同时内部空心微球等低密度填料实现隔热功能，实现中低热流密度、氧化条件下的防隔热一体化功能。

技术领域

本发明总体地属于飞行器热防护技术领域，尤其涉及一种耐烧蚀轻质防热隔热一体化复合材料及其制备方法。

背景技术

轻质防热隔热一体化轻质热防护材料是空间机动飞行器为代表的航天器实现小型化、高有效载荷比、快速进出太空的关键技术，决定着航天器的先进性、可靠性和经济性。随着我国新型航天器研制工作的开展，对具备防热隔热一体化功能的轻质热防护材料提出了迫切的需求。

1976、1996和2004年，美国NASA的火星“海盗号”、“拓荒者号”以及“探测漫游者号”分别成功着陆火星。以上探测器迎风面防热层都采用了洛克希德·马丁公司生产的SLA-561V蜂窝增强低密度烧蚀防热材料。SLA-561V密度仅为0.264g/cm³，以软木粉、二氧化硅或玻璃微球，酚醛微球，二氧化硅和/或碳纤维等为填料的超轻防热材料，适用于峰值热流密度0.21MW/m²、再入时间250s、总热量1.1MJ/m²、最高温度1727℃的热环境。美国的“伽利略”木星探测器经历的是迄今热环境条件最为苛刻的再入，以48km/s的速度再入木星大气层，峰值热流密度高达170MW/m²，驻点压力7MPa，再入加热时间70s，最高烧蚀温度为3900℃。类似于弹道式再入的热环境决定了防热层采用战略导弹上用的FM5055碳/酚醛材料，密度为1.45g/cm³，热防护系统重量占飞行器总重的50％。

美国于九十年代开始研制新一代低密度烧蚀防热材料，以酚醛浸渍碳烧蚀体(PICA)和硅树脂浸渍可重复使用陶瓷烧蚀体(SIRCA)为代表轻质烧蚀材料(LCA)。SIRCA用于热流小于3MW/m²、PICA用于热流大于3MW/m²的环境。1999年2月升空、2006年1月返回的“星尘”号返回舱采用了整体PICA材料作为迎风面防热层，成功经受了迄今飞行器再入地球最快速度12.9km/s，峰值热流密度达12MW/m²的再入环境。PICA的密度约为0.24～0.32g/cm³，以美国FMI公司生产的纤维状碳基隔热材料为增强体，浸渍酚醛树脂而成，可视为轻质化的碳/酚醛材料。PICA的高孔隙率(约85％)使其热导率显著低于高密度碳/酚醛材料，兼具较好的隔热性能。SIRCA的密度约为0.35g/cm³，采用洛克希德公司生产的LI-900和LI-2200两种航天飞机上用的陶瓷瓦经硅树脂浸渍而成，用于火星探路者号的背风面防热层、火星探索漫游者号飞船的背板、X-34飞行器的前缘和鼻锥。

国内在烧蚀防热材料方面发展了酚醛-涤纶烧蚀防热材料和以硅橡胶为基、填充酚醛与玻璃小球而成的H88、H96低密度烧蚀材料，以及以酚醛为基、玻璃短纤维增强的MD2中密度烧蚀材料。其中，酚醛-涤纶烧蚀防热材料主要用于返回式卫星，密度为1.280g/cm³，可用于热流密度3MW/m²的气动加热环境；低密度烧蚀材料包括H88、H96两种，用于“神舟”飞船背风面、底部和侧壁迎风面，密度分别为0.54g/cm³和0.71g/cm³；中密度烧蚀防热材料MD2应用于气流冲刷较严重的“神舟”飞船防热大底的拐角。