【材料科普】树脂基烧蚀材料：航天器的热防护专家

“粤近处暑烈日炎，寝食不安难休歇。”夏日的高温尚且极大地影响了人类的正常生活，那么严苛的大气层气动加热环境对航天器正常使用的挑战则不言而喻。当航天器高速穿过大气层上部的热层与大气剧烈摩擦时，甚至会产生超过1000℃的高温。面对如此严苛的热环境，究竟靠什么维系着航天器的正常运行呢？这便不得不提到航天器的热防护专家：树脂基烧蚀材料。

航天器在大气层的飞行照片

粉身碎骨浑不怕

化作“碳层”隔热强

根据基体的不同，航天工程中所用的防热复合材料分为树脂基、碳基和陶瓷基等。凭借成本低、热导率低以及隔热效果好等诸多优势，树脂基烧蚀防热材料脱颖而出，成为航空航天领域最广泛使用的耐烧蚀材料。

那么，树脂基烧蚀材料究竟是如何实现热防护效果的呢？在大部分情况下，树脂基烧蚀材料的烧蚀机理属于碳化型。一方面，树脂基高分子材料在高温下发生吸热的碳化反应，从而吸收外界热量。另一方面，碳化反应分解释放的气体可以被用来实现阻隔散热，同时形成的多孔结构的碳化层也具有较为优良的隔热性能。在三者协同作用下，飞行器在高热流环境下的使用和运行变得安全可靠。

高硅氧/酚醛复合材料烧蚀试验件照片

材料体系显真章

你方唱罢我登场

在树脂复合材料中，树脂的性能对复合材料的性能是至关重要的。为此，一系列具有高相对分子质量、高芳基化程度、高交联密度、高残碳率等特点的树脂基烧蚀热防护材料被开发。目前研究较多、制备技术较为成熟的树脂基体主要有硅树脂、酚醛树脂以及新型的聚芳基乙炔树脂、苯并噁嗪树脂、双马来酰亚胺树脂等。

典型硅树脂热防护结构试样及示意图

在高性能树脂的基础上，通过增强纤维和特种填料的加入可以进一步改善材料体系的烧蚀性能。

常用的增强纤维主要包括高硅氧纤维、石英纤维和碳纤维。而为了满足轻量、隔热和抗烧蚀等复合要求，玄武岩纤维、芳纶、尼龙等有机纤维以及多种纤维的混杂物、混编体被开发利用。例如，在低热流的卫星热防护结构中，有机纤维耐烧蚀复合材料便可以起到良好的防热效果。

特种填料则主要有酚醛空心微球、玻璃空心微球、碳微球等微球填料、氧化铝等无机粉末填料、纳米碳黑等纳米材料。其中，空心小球和微孔的引入，在降低材料密度的同时，能够显著降低材料的热导率，提高防热和隔热性能。此外，微球类填料在任意方向上长度相近，流动性好，填充量高。由于其圆球形状，可以使材料各个方向上压力相同，改善应力分布。

添加微球的酚醛防热材料烧蚀后电子显微镜照片

集成设计引潮流

多重防热助航天

在航天飞行器的结构轻量化的实现过程中，集成化设计逐渐成为发展趋势，因此热防护系统的多功能化和功能集成化的重要性日益提高。

连续功能梯度材料便是其中的代表。通过对复合材料结构进行设计，实现功能分区，分别在材料烧蚀表面和内部引入不同的功能组元和结构。例如，在材料烧蚀表层引入更耐烧蚀、耐冲刷、强辐射和抗氧化的功能组元，大幅提高材料表面的防热效能，而在材料内部引入微孔或纳孔结构从而提高隔热性能。连续功能梯度材料同时还能兼容吸波、热力承载等其他功能，展示了良好的应用前景。