硅基防热材料表面流动特性研究

高 贺,张 智,陈连忠,*,王 显,冯 雪

(1.中国航天空气动力技术研究院,北京 100074;2.清华大学,北京 100084)

0 引 言

烧蚀防热是高超声速飞行器防热设计中一项广泛应用的技术[1]，通过借助防热材料表面层的熔融、气化、热解等物化反应消散飞行器高超声速飞行过程中产生的热能，达到维持和保护飞行器内部器件的要求[2]。硅基复合材料作为大量使用的烧蚀防热材料，研究其在烧蚀防热过程中的流动特性一直是硅基材料烧蚀防热的关键技术。

硅基复合材料的主要成分是二氧化硅，由于二氧化硅易于熔融和蒸发，故硅基复合材料又被称为熔融气化型防热材料，具有良好的抗烧蚀性能和隔热性能。新一代的硅基防热材料主要以玻璃纤维为基底，编织形成框架，在其内部添加酚醛树脂和空心微球，从而达到减轻重量提高性能的目的，目前已经大量应用在我国“神舟”和“嫦娥”返回舱[3]。

在烧蚀过程中[4-5]，大部分硅基防热材料在表面温度大于1600 K时，其中的玻璃纤维或含硅组分会逐渐进入熔融状态，并随着温度的进一步增加最终以“液滴”或“液膜”的形式沿气流方向流失。图1给出了在电弧风洞试验平台上完成的某硅基材料烧蚀试验过程中和试验结束后的对比照片。从图1中可以观察到明显的熔融流动现象以及试验结束后烧蚀表面残留的大量白色熔融产物。这种表面流动现象会造成质量损失，在大剪切力作用下质量损失更为严重，影响着防热材料的烧蚀和隔热性能。……