复合材料助力航天器飞向太空
复合材料助力航天器飞向太空
随着科技的进步，复合材料在航空航天领域的应用越来越广泛。最近的研究表明，新型复合材料不仅减轻了航天器的重量，还提高了其耐高温和抗腐蚀性能，使得航天器能够更加高效地执行任务。这些突破性的技术进步正在推动人类探索宇宙的步伐，让我们离星辰大海的梦想更进一步。
复合材料：航天器的“骨骼”与“铠甲”
航天结构件是航天器中至关重要的组成部分，它就像是航天器的骨骼和铠甲，用于支撑和保护航天器及其内部设备。从航天器的主体框架到连接件、支撑件，再到保护罩等，都是航天结构件的范畴。这些结构件可不一般哦，它们要具备极高的机械强度和刚度，同时还得满足轻质化、高强度、耐高温、耐腐蚀、良好的密封性以及可重复使用等诸多苛刻要求。
在复合材料结构件中，高分子材料可是挑大梁的。复合材料通常由纤维增强材料和基体材料组成，而基体材料很多时候就是高分子材料。比如碳纤维复合材料，其中的基体材料可以是环氧树脂等高分子材料。这种碳纤维复合材料具有轻质高强的特性，对航天器减重和提高效率有着显著的贡献。2022 年，中国航空航天复合材料市场规模达到了 578.76 亿元，全球航空航天复合材料制品市场规模也从 2017 年的 176.24 亿美元增长到了 2022 年的 293.2 亿美元，这充分说明了复合材料在航天领域的重要性。
突破性进展：新型复合材料助力航天器应对极端环境
随着航天器的速域和空域不断拓展，先进复合材料研究的深度和广度也日益增强。一方面，复合材料需要在极端复杂环境中高可靠服役，具有复杂的组分和结构，对材料的轻量化、耐温性、多功能一体化等性能要求极高，需要不断发展新的高性能材料。另一方面，需要深入研究复合材料材料在极端环境中组分、结构及性能的演变规律、多物理化学场与材料耦合作用等，提高对材料服役性能的认识。因此，面向未来航天器需求和复合材料自身技术发展，亟需在理论、方法和技术等方面实现创新。
陶瓷基热结构材料：耐高温的“防护盾”
陶瓷基热结构材料是由陶瓷基体和纤维增强相组成的复合材料，具备高比强度、比模量及优异的高温力学、抗氧化和耐烧蚀等性能，是航天器理想的热结构材料。美欧等国早就认识到陶瓷基复合材料的重要应用价值。通过一系列研究计划的持续支持，在高品质原材料、复合材料设计、制备工艺及工程应用方面取得了诸多突破。例如，2015年2月，欧洲IXV试验飞行器飞行成功，其热防护系统头锥、迎风面大面积、翼前缘和体襟翼均采用C/SiC复合材料，可以满足超过1600℃的服役要求，薄壁异形构件尺寸达到了米量级，体现出很高的制备工艺水平，技术成熟度较高。
近年来，我国在陶瓷基热结构材料领域取得了长足进步，突破了大尺寸异形薄壁C/SiC热结构材料的设计于制备关键技术，并实现了工程化应用。同时，针对陶瓷基热结构轻量化、耐高温和低成本等不同需求，发展了C/SiBCN、C/SiHfBCN及C/SiCN等新型陶瓷基热结构材料。采用前驱体浸渍裂解工艺制备的C/SiBCN材料，比C/SiC具有更优异的高温抗氧化性能。研究发现，SiBCN陶瓷在1400℃下空气中的氧化动力学常数Kp明显低于SiC陶瓷，如图1所示。此外，C/SiBCN复合材料室温下弯曲强度489 MPa，在1600℃弯曲强度仍达到450 MPa以上。为进一步提升材料耐温性能，将SiHfBCN纳米复相超高温陶瓷引入到C/SiC基体中，研制出C/SiC-SiHfBCN复合材料，室温拉伸强度大于300 MPa，弯曲强度大于450 MPa；2 000℃拉伸强度达到120 MPa，弯曲强度达到200 MPa。针对低成本陶瓷基热结构需求，研制了新型SiCN前驱体，兼具高陶瓷产率和低成本优点。采用该前驱体研制的C/SiCN复合材料成本更低。图2为C/SiCN复合材料的的力学性能。室温拉伸强度和弯曲强度分别达到了230 MPa和380 MPa，且到1400℃时力学性能无明显衰减。
陶瓷基热结构是新型飞行器的共性关键技术。研究新型耐高温纤维及先驱体、研制高性能热结构材料，发展先进制备工艺，降低陶瓷基热结构制备周期及成本，将是陶瓷基热结构重要的发展方向。
超高温低烧蚀防热材料：抵御极端热环境的“防护衣”
超高温低烧蚀防热材料主要用于航天飞行器的端头、前缘等热环境严苛部位。基于碳纤维增强的改性碳基或超高温陶瓷基复合材料是超高温低烧蚀防热材料的重要体系。C/C复合材料在惰性条件下具有优异的化学稳定性与力学性能，但在400 ℃以上发生氧化，制约了在高温有氧环境下的使用。通过在碳基体中添加抗氧化改性组元，可以显著提高C/C复合材料的抗氧化性能与抗烧蚀性能。
浆料浸渍法可能是在碳纤维预制体引入陶瓷组元最常用的方法。研究发现，陶瓷颗粒与纤维的直径比例对实现陶瓷颗粒的致密堆积非常重要。Binner等采用真空浸渍法在2.5D碳纤维织物中引入HfB2浆料，得到碳纤维增强HfB2复合材料。氧-乙炔焰考核发现，当不同粒径的HfB2颗粒混合使用时，复合材料在氧-乙炔焰考核时表现出最好的抗烧蚀性能，图3为材料考核后的表面状态。此外，前驱体浸渍裂解、反应熔渗法也可用来制备低烧蚀防热材料。超高温低烧蚀防热材料的微观结构与制备工艺紧密相关，进而决定材料性能。Lazzeri指出，采用两种或以上复合工艺可能是获得高性能低烧蚀防热材料的潜在方法。
国内在C/C复合材料基体改性方面开展了大量研究工作。通过物理掺杂、化学络合等工艺方法在碳纤维织物中引入Hf、Zr、Ta、W等难熔金属组元的碳化物、硼化物及硅化物，制备出超高温本体抗氧化C/C复合材料，抗氧化烧蚀性能较C/C复合材料提高60%以上，图4是材料烧蚀后的形貌。此外，还通过在C/C复合材料内部引入多组元，制备了具有杂化基体的C/C-ZrC-SiC、C/C-HfC-SiC复合材料。通过陶瓷粉体和前驱体的组合使用，不但实现了多相组元的高效均匀引入，而且使材料具有良好的力学性能，弯曲强度和压缩强度均达到130 MPa以上。在室温到2500 ℃以上典型环境风洞试验考核中表现出良好的抗烧蚀性能，实现了型号成功应用。
在C/C复合材料中引入抗烧蚀组元是制备超高温低烧蚀防热材料的有效方法。材料的力学性能和抗烧蚀性能与材料组分和微观结构紧密相关。通过优化材料组元及引入方式，提高组元分布均匀性、减少颗粒团聚、降低裂纹缺陷、提高组分热匹配等措施研制耐温等级更高的超高温低烧蚀防热材料是该领域的发展重点。
树脂基烧蚀防热材料：轻量化的“防护伞”
树脂基烧蚀防热材料是一种为适应航天器热环境而研制的功能复合材料，用以防护飞行器结构在气动热环境中免遭烧毁破坏，具有防热效率高、比热容大、热导率低、制备周期短、成本低的特点。近几年，随着新型飞行器技术的发展，树脂基烧蚀防热材料轻量化及多功能化技术迅速发展，成为该类材料的研究热点，推动了技术进步，拓展了应用领域。
NASA针对深空探测器热防护需求，设计并研制了具有梯度结构的树脂基轻质烧蚀防热材料（HEEET）。HEEET具有三维编织的双层结构，外层为烧蚀层，增强体为碳纤维；内层为隔热层，增强体为碳纤维和酚醛纤维。烧蚀层和隔热层之间通过纤维连接在一起，形成整体式结构，然后在纤维孔隙中填充具有多孔结构的酚醛树脂，得到HEEET防热材料。
图5(a)显示了HEEET材料表层和内层的梯度结构。HEEET既具有良好的抗烧蚀性能，又具有优异的隔热性能，成为未来深空探测器具有应用潜力的一种新材料。图5(b)是HEEET热防护材料典型构件。Chang等将3D打印技术引入轻质烧蚀防热材料的制备过程，研制出具有梯度结构的轻质防热材料，以期能够最大程度降低材料的质量，如图6所示。该技术还在进一步研究中。
国内也发展了几类轻质烧蚀防热材料，并成功应用于嫦娥五号、天问一号等空间探测器，形成了成熟的材料系列。此外，国内还发展了多功能树脂基轻质防热材料。通过对纤维增强体和树脂基体的设计，将防热、隔热、吸波多重功能融合，能够满足飞行器关键部位防热、隔热和高温电磁隐身的功能，具有多重功能无界面融合且协同作用的特点。典型材料密度为0.5 g/cm3，室温热导率为 0.045 W/(m·K)，除具有良好的防热性能外，在2~18 GHz宽频范围内还具有较好的吸波性能，图7是防热隐身材料示意图。
随着新型飞行器的发展，实现树脂基烧蚀防热材料的轻量多功能兼容与集成化，满足材料不同使用场景的需求，实现热防护系统精细设计与精准制造，树脂基轻质防热材料将发挥更重要的作用。
应用案例：从嫦娥五号到天问一号
这些新型复合材料已经在多个航天器中得到了实际应用。例如，嫦娥五号探测器的热防护系统采用了轻质烧蚀防热材料，成功经受住了返回地球时的高温考验。天问一号火星探测器也使用了类似的材料，确保在进入火星大气层时能够安全减速。
未来展望：复合材料将推动航天技术新突破
随着深空探测等高端需求的增加，对航天结构件的性能要求也会越来越高，这将促使高分子材料在航天结构件中的应用不断创新和发展。未来，随着航天技术的不断发展，高分子材料在航天结构件中的应用将会更加广泛。新材料和制造技术的不断涌现，将推动高分子材料的性能和质量不断提高，为航天结构件的发展提供更好的支持。
陶瓷基热结构材料、超高温低烧蚀防热材料和树脂基烧蚀防热材料等新型复合材料的研究进展，为航天器提供了更可靠的防护。这些材料不仅提高了航天器的耐高温和抗腐蚀性能，还实现了轻量化设计，为航天器的高效运行提供了有力保障。随着技术的不断进步，复合材料将在未来的航天事业中发挥越来越重要的作用，推动人类探索宇宙的步伐迈向新的高度。