郝晓明 张金山 王瑜 王键辉 白银海
北京卫星制造厂有限公司 北京 100094
摘要 热防护材料是发展高速飞行器最为关键的技术之一。本文阐述了当前最热门的热防护材料---低密度石英-酚醛烧蚀材料的成型过程，对工艺流程、固化制度及探伤方法进行研究。
关键词 防热材料 低密度石英-酚醛 成型
0引言
超声速飞行器是为了满足近地和深空再入需要而新研的一种飞行器，飞行器最高以第二宇宙速度再入，再入速度高，返回环境相比传统飞行器要恶劣。现有防热材料体系和防护机制在耐高温、抗氧化、能量耗散效率以及有效服役时间等方面都难以满足新型飞行器发展的需求，防热问题已经成为新型飞行器研制过程中关键性的制约因素和主要技术瓶颈之一，尤其是对高温氧化环境下材料的耐温极限和耐久性、高温氧化和复杂热力载荷条件下的轻质强韧化性能提出了苛刻的要求，需要拓展现有热防护系统及相关材料体系的能力、探索新的热防护机理和材料。
飞行器采用可拆卸式防热结构，主要承力部位对力学和防热要求比较高。一方面该部位具有较高抗剪能力，另一方面需要具有良好的隔热性能，需要使用性能更为优异的防热材料。
1 低密度石英-酚醛烧蚀材料概述
现有可用于超声速飞行器的热防护系统及材料一般可以分为两大类：烧蚀类和非烧蚀类。烧蚀类防热材料在导弹、宇宙飞船返回舱和星际探测器中应用广泛，主要以碳／酚醛及高硅氧／酚醛等复合材料为主；非烧蚀类防热材料在航天飞机中应用广泛，主要以碳／碳复合材料、陶瓷基复合材料等为主。提高材料极限使用温度和高温性能、提高表面辐射、抗氧化能力、防隔热一体化成为目前的研究热点和重点。
酚醛树脂与石英纤维、玻璃小球等结合形成的低密度石英-酚醛烧蚀材料，可以在2000摄氏度以上的环境中应用。它内部含有大量均匀分布的玻璃小球，从而降低材料密度，形成多孔结构；而连续纤维在面内通过纤维布铺层方向设计实现性能的准各向同性，在厚度方向纤维平行于材料表面层状分布。这种微观结构使得材料的力学、热物理性能具备各向异性的特点，尤其在纤维层状分布的厚度方向有极好的隔热性能。材料具有非常高的力学强度，能够满足各种机械结构连接，并具有较好的抗烧蚀隔热能力，可以应用在飞行器高承载、结构连接的局部区域。低密度石英-酚醛烧蚀材料生产周期长且原材料成本高，因此其成型质量的提升在设计选用结果、质量控制及经济效益层面都具有重要的意义。
2低密度石英-酚醛烧蚀材料产品成型技术
低密度石英-酚醛烧蚀材料产品成型过程如图1所示。
图1 低密度石英-酚醛烧蚀材料成型工艺流程图
利用DCS等热力学设备，检测酚醛树脂的流变特性。
在不同升温速率条件下，得到树脂固化反应的起始温度、峰值温度及终止温度，再利用外推法求得理论凝胶温度、固化温度及后处理温度，根据凝胶温度制定加压点，选择合理的恒温段温度及时长。通过前期调研可知，相似产品的外压水平介于1.5~3MPa之间。统一考虑上述技术参数，初步确定材料所应遵循的固化制度。
分析产品的结构特征，完善理论固化制度。产品在固化过程中需要高温、高压的配合，避免产品表面或内部裂痕的出现。由于产品外形及厚度尺寸较大，材料本身还具有传热速率低的特点，应进一步降低升温速率，使得产品各区域固化进程尽量一致，减少固化缺陷、降低固化应力。另一方面，相关产品的研制报告称，此类材料极易产生局部疏松，若提高固化外压水平，则明显会避免疏松现象的产生
产品升温速率分为三段，前段为18℃/h，中段为8℃/h，后段为10℃/h，并在中段开始施加初始外压55kPa。前端升温步骤只是对树脂的软化，此时零件对外压不敏感，相应可采取较快的升温速率，加速固化过程。中端升温过程中树脂粘度进一步降低、温度趋于凝胶点，对外压逐步敏感，延缓升温速率、增加外压，可以促进树脂流动、再分布，减少零件内部贫胶、分层等缺陷。后段升温过程中固化反应逐步扩展，此时固化制度应使零件全区域固化过程顺利推进。考虑到产品的宏观尺寸，为了使得零件内部温度场均匀，故取了适中的升温速率。后段升温过程中外压水平取上限，为3.0±0.5MPa，这是为了进一步促进零件内部空隙的弥合、减少由固化反应带来的缺陷。
固化制度中，保温温度设定为160℃、保温时长达4h以上，这是由工程经验所决定的。该保温温度接近固化反应终止温度，有利于固化反应的充分进行和固化度的提升。而延长保温时间，则能够大大提升温度场的均匀性，使得零件各处的固化度趋于一致，有利于固化应力水平的降低、零件宏观尺寸的规整，以及产品力学性能的提高。
使用热压罐进行坯件固化。固化时，主要控制升温速率、固化温度、压力大小、加压时机、固化平台等参数。
将待固化坯件放入热压罐中进行加温、加压固化。生产时，将待固化坯件用密封胶板进行包覆，放入热压罐内固化平台上，对固化平台通电加热，并向罐中通入高压氮气，对产品施加压力。同时，在坯件密封区内增加真空抽气装置，及时导出树脂固化过程产生的小分子气体。这种成型方式具有压力传递均匀，模具变形小、层间气孔少等优点，适合拐角环复杂形状及巨量铺层的固化
另外，减缓固化时升、降温速率，可以避免固化过程中坯件内外温差过大导致产品分层、开裂的趋势。
坯件固化过程中，可直接使用铺层工装进行固化。考虑采用2~3组坯件同时固化的方案，加速研制进度、降低能源消耗。
经调研和前期试验，拟采用X射线无损探伤仪进行坯件的无损探伤。该无损探伤设备具有开敞式造型，不受零件外形尺寸制约，可探测厚度大，探测精度好。X射线无损探伤方法由标准《纤维增强复合材料X射线照相无损检验方法》GJB1038.2A-2004规定。
3总结与展望
随着各种新型高速飞行器概念的提出，热防护系统及其相关材料技术也取得的很大的进展。在热防护机制、材料和结构上必须创新才能不断满足新型飞行器的使用需求。高速飞行器的材料研究还有较长的路程要走，还需要经历螺旋式上升的漫长过程，才能最终突破不利因素、实现更全面广泛的应用，为高速飞行器为代表的高新产业提供关键的支撑。