[发明专利]一种轻质耐烧蚀隔热一体化结构

说明书

本发明公开了一种轻质耐烧蚀隔热一体化结构，由耐烧蚀涂层、高强度面板、中空织物和纳米气凝胶构成，所述耐烧蚀涂层为ZrB₂‑MoSi₂复合涂层，通过大气等离子喷涂技术在高强度面板表面制备；所述高强度面板为碳纤维增强多孔酚醛复合材料，由多孔酚醛树脂浸渍中空织物表层，经高温裂解形成；所述中空织物为碳纤维三维中空预制体，碳纤维按照三维正交方式进行编织，所述高强度面板与碳纤维骨架组成工字形结构，且碳纤维组间平行排列；所述的纳米气凝胶为空心碳气凝胶球，在中空织物孔隙中实现区域填充。本发明采用隔热一体化结构，可以高温气动环境下实现烧蚀维形，且质轻高强，满足超高声速飞行器对隔热防护材料的需求。

技术领域

本发明涉及一种隔热一体化结构，特别是涉及一种应用于航空航天的轻质耐烧蚀隔热一体化结构。

背景技术

超高声速飞行器被看作是航空史上继发明飞机，突破音障，进入太空之后的又一个里程碑。世界主要国家一直将其作为航空科技的最前沿阵地，并给予全力的支持。美、俄、法、德、日、印度等国家在新世纪以来陆续取得了技术上的突破，并相继进行了地面和飞行试验，这表明高超声速技术已经从概念和原理探索的基础阶段进入了以某种高超声速飞行器为应用背景的先期技术开发阶段，例如美国正在研制的X-51高超声速巡航导弹、法国航空航天研究院和宇航-马特拉公司正在开展的“普罗米修斯”计划、印度正在研制的一种可重复使用的高超声速巡航导弹系统以及德国的高超声速导弹。

超高声速飞行器长期服役的环境为失重、高真空、具有强烈辐射的宇宙空间，大底和侧壁等部位的高热流密度、高焓值和长气动加热时间的热环境，另外，对于某些执行特殊任务的飞行航天器，有时需要重新返回地球或在其他天体上着陆，在再入和着陆过程中需要经历一系列严酷而又复杂的环境，这就要求航天器材料能够承受复杂的环境条件。通常，航天飞机再入大气层高度100km时的飞行速度为7800m/s；执行月球任务的飞船，其再入大气层的速度约为11km/s。在飞行速度很高的情况下，飞行器与大气剧烈摩擦，飞行器的动能会转化成空气的热能，并且使得周围空气的温度急剧升高，另外加上对流传热和微波辐射传热的影响，飞行器表面的温度会迅速升高，高达几千摄氏度。在如此高的温度下，高温空气中的成分会与飞行器表面的材料发生复杂的化学反应，造成飞行器的表面产生严重的热损伤。如不采取有效的高温防护措施，飞行器会因为处于极高的温度而在空中烧毁。

热防护系统是航空宇航工业之基础，是服役于高温极端环境部件所必需的关键子系统，如在大气层中以高马赫数飞行的超高声速巡航导弹、战术滑翔导弹、临近空间飞行器。表1-1为各国研制的典型飞行器隔热材料，随着航空宇航技术的发展，针对行星的不断探索对高温烧蚀热防护材料的研究提出了新的要求。执行火星和月球任务的返回舱等临近可见飞行器在进入地球大气层时速度超过12km/s，因此飞行器将承受严峻的热载荷。在这种超声速飞行条件下，热防护系统将面临极高的对流和辐射热流，烧蚀热防护材料的使用就变得十分必要。因此，轻质烧蚀维形高效热防护材料的研发成为航空宇航新材料研究领域的关键问题。

申请号为201410667737.9的中国发明专利公开了一种超高温隔热复合材料及其制备方法，采用Z-G-Q-Z形式的多层结构，Z为耐高温纤维织物，G为柔性高温隔热层，Q为中低温隔热层，多层结构通过耐高温缝合线缝合成整体，所述的柔性高温隔热层为采用耐高温纤维和红外阻隔剂通过无机溶胶作为高温粘结剂湿法成型的纤维毡，所述的中低温隔热层为纤维增强的气凝胶材料。该发明采用柔性高温隔热层复合中低温隔热层，并在上下表面缝合耐高温纤维织物，具有耐高温、高效隔热和极好的抗振动、抗冲击性能。