“嫦娥”六号返回器轻质防热材料研究

概述了“嫦娥”六号返回器防热材料在特殊热环境和苛刻质量要求下的设计理念和设计方法、烧蚀试验考核、烧蚀机理分析及工艺技术突破。“嫦娥”六号防热材料保障了世界首次月背采样安全返回,促进了我国航天器热防护技术发展。

第二宇宙速度再入高焓烧蚀试验

针对国内无法进行高焓气动热地面试验的难题,中国航天空气动力技术研究院研究团队利用磁等离子动力加热器、高频感应加热器和电弧加热器相结合的试验技术,实现了第二宇宙速度再入气动热环境的复现。试验技术在采用ϕ60 mm-SR90 mm等热流驻点模型时,可实现气流焓值范围8~87 MJ/kg,热流密度范围500~6800 kW/m2,驻点压力范围1~66 kPa,获得了4种典型防热材料烧蚀性能随高焓流场参数的变化规律,印证了碳硅复合热解防热材料的高焓烧蚀机理。在气流总焓一定的情况下,防热材料的烧蚀率随热流密度的增大而增大;在热流密度一定的情况下,防热材料的烧蚀率随总焓的增大而减小。该试验技术已经服务于探月后续项目,同时可应用于高温非平衡效应研究中,更可为将来的载人登月和深空探测提供设备基础和技术储备。

美国空间探测器热防护材料发展现状及趋势

综述了美国空间探测器热防护材料的发展及现状,介绍了几类具有代表性的防热材料:高密度酚醛玻璃钢、DC-325、Avcoat、SLA-561、PICA(Phenolic impregnated carbon ablator)和碳酚醛等,及其所应用的探测器、气动加热环境和防热结构成型工艺,着重阐述了美国在研的猎户座载人登月飞船防热材料的研制情况,并介绍了两类热点的烧蚀防热材料在以往研制过程中出现的异常情况以及选材的变化及进展,总结了猎户座的研制经验,同时指出了后续空间探测器防热结构及材料的发展方向。

碳纳米管改性对碳/环氧复合材料层间性能的影响

研究了在碳纤维织物上生长碳纳米管的改性对环氧树脂基复合材料层间性能的影响,对比了有无碳纳米管的碳纤维复合材料的层间剪切和弯曲性能,并采用碳纤维表面结合碳纳米管膜的方法研究了碳纳米管对碳/环氧复合材料层间性能的影响。结果表明,由于生长的碳纳米管长度过长(>10μm)、末端无序排列为笼状,树脂无法进入碳纳米管内部,碳纳米管无法发挥增强作用,同时由于碳纳米管过长,复合材料内部缺陷增多,使得四种生长碳纳米管的碳纤维复合材料层间性能均有下降;而碳纳米管膜与碳纤维和树脂基体结合较好,使得复合材料层间剪切强度提高12%。

低密度防热材料烧蚀性能研究

对两种蜂窝增强低密度烧蚀防热材料和一种中密度烧蚀结构材料力学性能及隔热性能进行了测试,同时通过电弧风洞对三种烧蚀防热材料的烧蚀性能进行了研究。结果表明,在一定的热流状态下,蜂窝增强低密度防热材料未出现烧蚀后退,而是轻微膨胀,且材料密度对其烧蚀形貌及碳层厚度均有一定影响;不同防热材料在烧蚀过程中存在热量传递与重新分布,从而减缓防热性能较差材料的烧蚀程度,提高两种材料的烧蚀匹配性能。隔热性能好的材料碳层厚度小,但隔热性能与碳层厚度无线性关系。

空间探测烧蚀防热材料应用及趋势

综述了国内外空间探测器烧蚀防热材料的种类及其应用情况,美国主要包括高密度酚醛/玻璃钢、蜂窝增强烧蚀防热材料、PICA及PICA-X以及高密度碳酚醛材料等,国内则主要包括酚醛/尼龙、蜂窝增强烧蚀防热材料和NF材料,介绍了这些材料所应用的探测器、气动加热环境、防热材料性能和防热结构成型技术。总结了美国空间探测防热材料研制中出现的两次烧蚀异常及导致的探测器选材变化,可见防热材料与热环境耦合关系复杂。同时介绍了我国针对防热材料抵御异常损伤开展的部分工作。最后对空间探测防热材料的应用与发展做出了展望。

空间探测烧蚀防热材料应用及发展

烧蚀防热材料因其高可靠性及宽适用性而被绝大多数空间探测器所采用。不同的空间探测目标、探测器进入/再入弹道、探测器外形和防热结构质量限制等因素使得烧蚀防热材料种类繁多,但轻量高效是其发展的重要特征;除此以外,可靠性也至关重要,在不同的热环境下,不同材料会表现出不同的烧蚀行为和特征,使得烧蚀防热材料成为空间探测活动成败的关键。本文综述了国内外探测器烧蚀防热材料的种类及应用情况,美国主要包括高密度酚醛/玻璃钢、蜂窝增强型防热材料、树脂浸渍型防热材料以及碳酚醛材料等,国内主要包括酚醛/尼龙、蜂窝增强型防热材料和NF材料,介绍了这些材料所应用的探测器、气动加热环境、防热材料性能和防热结构成型技术,总结了美国空间探测防热材料研制中出现的两次烧蚀异常及导致的探测器选材变化,可见防热材料与热环境耦合关系复杂。国内外针对防热材料抵御异常损伤开展了部分工作。已有试验结果表明,蜂窝增强型防热材料具有一定的优势。最后对空间探测防热材料的应用与发展进行了展望。

深空环境轻质防热材料烧蚀性能研究

针对轻质防热材料在深空环境中较高热流的耐烧蚀问题,采用6000 kW/m^(2)电弧风洞试验对自行研制的蜂窝增强轻质防热材料A(密度0.48 g/cm^(3))的烧蚀性能进行了研究,对烧蚀后材料内部的密度变化进行了分析,同时计算并分析了防热材料的热应力。结果表明:材料A烧蚀后碳层完整,其碳层的微观形貌可见明显的空心填料破损且基本不见树脂基体,材料中的组分发生相互反应,烧蚀表面生成SiC晶体,促进烧蚀带走热量,且提高碳层强度和抵抗氧化的作用;材料A的热解层厚度很小,说明具有良好的隔热性能;材料A的蜂窝结构可有效降低材料热应力。本研究对深空探测材料的可靠性评估具有重要意义。

Cl-对Cr17Ni2在硫酸盐还原菌菌液中电化学行为的影响

采用微生物学方法研究了硫酸盐还原菌（SRB）在不同Cl^-浓度时的生长情况，结果表明Cl^-具有抑制SRB生长的作用，随着Cl^-浓度的增加，抑制作用更加明显。采用动电位扫描法研究了Cr17Ni2电极在2．0％Cl^-菌液中开路电位和点蚀电位随SRB生长时间的变化规律，结果表明在2．0％Cl^-的菌液中的开路电位随时间的增加而逐渐负移，点蚀电位在0—8d缓慢负移，8-10d负移较大，这与Cl^-对SRB生长的影响有关，是Cl^-和SRB共同作用的结果。

轻质烧蚀防热材料结构组成对烧蚀形貌的影响

采用石英灯烧蚀试验对研制的一种轻质烧蚀防热材料在不同防热结构下的烧蚀形貌和隔热性能进行了研究。结果表明:不同的防热结构形式,轻质烧蚀防热材料的烧蚀形貌不同,防热结构的纵向温度梯度和面内温度梯度均影响轻质防热材料的烧蚀形貌,温度梯度越小,热量在材料表面积聚越严重,因此表面碳化特征越明显。在不同材料的面内组合状态下,轻质烧蚀防热材料可实现与较高密度材料的匹配烧蚀,说明其烧蚀防热效率较高。在防热结构设计时,可综合考虑其面密度和烧蚀形貌,合理利用防热结构组成,实现高效防隔热和轻量化设计。

一种轻质烧蚀结构一体化材料

针对某产品的防热需求,研究了一种轻质烧蚀结构一体化材料,对其坯料(材料A)的热处理制度及预固化程度进行了研究,确定了最佳的热处理温度和时间;对材料A成型得到的轻质烧蚀结构一体化材料(材料B)的拉伸性能和热物理性能进行测试,通过电弧风洞对烧蚀性能进行考核,并对烧蚀后材料的纵向密度分布进行了分析。结果表明,添加一定的处理剂可提高材料的拉伸强度和断裂延伸率,处理剂可有效增强材料各组分的界面结合强度;材料B的热扩散率比材料C(中密度)低,在中高热流状态下,材料B烧蚀表面碳层完整致密,与材料C相比,线后退率略大,质量损失率略小,背壁温度较低,材料B具有更好的烧蚀隔热性能。

航天飞行器热防护系统低密度烧蚀防热材料研究进展

当前,树脂基烧蚀防热仍被认为是最有效、最可靠、最成熟和最经济的一种热防护方式,在航天飞行器热防护系统中普遍采用。近些年在载人航天、探月工程、深空探测和新型航天飞行器系列工程的需求牵引下,本团队开发了蜂窝增强低密度材料、新型防隔热一体化材料、轻质烧蚀维形材料等先进防热复合材料,并开展了相应的应用基础以及工程应用研究工作,对烧蚀材料复杂防热机理及多重防热机制的协同作用进行了探索研究。随着再入/进入航天飞行器先进热防护系统需求的发展,功能多样化、兼容与集成是低密度树脂基烧蚀防热材料的主要发展趋势。

低密度烧蚀材料在神舟飞船上的应用

介绍了神舟号系列载人飞船返回舱防热材料的配方设计、成型工艺及性能情况,并与国外相关防热材料进行了对比,包括防热材料的类型、工艺及性能特点等,对返回舱用防热材料的发展进行了总结和展望。

硫酸盐还原菌对两种不锈钢的腐蚀作用

采用电化学方法、微生物学方法和表面分析方法研究了在厌氧环境中硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria, SRB)溶液和电化学加速腐蚀协同作用下不锈钢1Cr18Ni9Ti和Cr17Ni2的腐蚀电化学行为.结果表明,未在菌液中浸泡的两种不锈钢电极在SRB菌液中的开路电位在第4天最大,分别为-0.409和-0.396 V;而在菌液中浸泡的两种电极开路电位在第6天最大,分别为-0.240和-0.303 V.未浸泡的两种不锈钢电极点蚀电位随细菌生长时间的增长而变化,但在6-10天变化不大;浸泡在菌液中的两种电极点蚀电位随浸泡时间的增加先负移然后正移再负移. 1Cr18Ni9Ti比Cr17Ni2更耐蚀.显微观察表明生物膜并不完整致密,在SRB和电化学加速腐蚀作用下不锈钢电极发生了严重的点蚀.

辐射/烧蚀交替型柔性防热复合材料

通过优化防热方式,提高柔性防热材料的烧蚀防热性能,设计制备了一种辐射/烧蚀交替型柔性防热材料,该柔性防热材料由多层复合防热布叠合构成,复合防热布是一种烧蚀体表面附着辐射层的复合材料,并通过氧乙炔烧蚀试验评价了其热防护性能。通过辐射层表面处理方法提高辐射层与烧蚀层的粘接性,用T型剥离试验、SEM评价了其粘接性能。结果表明,较烧蚀型防热材料,辐射/烧蚀交替型柔性防热材料具有更优异的热防护性能,烧蚀后防热层完好数更多,背温更低;表面处理方法可有效提高剥离强度,在处理剂浓度为5%时,效果最佳。

氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌的协同作用对Q235钢腐蚀行为的影响

采用失重法、交流阻抗测试和扫描电镜等手段研究了氧化亚铁硫杆菌(T.f)和氧化硫硫杆菌(T.t)的协同作用对Q235钢腐蚀行为的影响.结果表明,T.f和T.t的协同作用加剧了Q235钢的均匀腐蚀速率,混合菌体系中Q235钢的腐蚀失重远大于两种微生物单独存在体系.显微分析结果表明,T.t体系中金属没有出现点蚀,混合菌体系中Q235钢的点蚀坑较T.f体系中的小而浅,T.t的存在降低了Q235钢的局部腐蚀.

假单胞菌对A3钢在枝孢霉菌溶液中腐蚀行为的影响

采用动电位扫描法、电化学交流阻抗法和表面分析方法研究了假单胞菌的加入对A3钢在枝孢霉菌溶液中腐蚀行为的影响.结果表明,假单胞菌的存在影响了A3钢在枝孢霉菌体系中阳极的反应过程,假单胞菌与枝孢霉菌混合体系(简称假-枝混合菌体系)中A3钢的自腐蚀电流小于枝孢霉菌单种菌体系,A3钢的腐蚀速率减小;随着浸泡时间的延长,从第7天开始,A3钢电极在假-枝混合菌体系中的阻抗值较之同样浸泡天数的枝孢霉菌单种菌体系的阻抗值大,假单胞菌的存在抑制了枝孢霉菌对A3钢的腐蚀.SEM结果表明,A3钢在枝孢霉菌和假-枝混合菌体系中均发生了点蚀,枝孢霉菌单菌体系中A3钢的点蚀坑大而深,假-枝混合菌体系中的点蚀坑与枝孢霉菌体系相比小而浅.

油-水体系中枝孢霉菌对A3钢腐蚀行为的影响

采用开路电位法、动电位扫描法和表面分析法研究了油-水体系中枝孢霉菌对A3钢电化学行为的影响。结果表明,当枝孢霉菌活性较大时,其代谢产物改变了溶液的组成,A3钢开路电位负移,腐蚀速率加大,促进了A3钢的腐蚀;当枝孢霉菌活性较小时,A3钢的腐蚀也减缓。在枝孢霉菌菌液中浸泡的挂片上附有生物膜。在油-水体系中枝孢霉菌易于在水相中生长,在油-水两相界面处菌体浓度最大,对挂片的腐蚀最为严重。随浸泡时间的增加,挂片腐蚀加重。

枝状Ag/Au双金属纳米材料的合成及表征

利用Au离子与树枝状纳米Ag的置换反应,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为表面活性剂,制备了树枝状Ag/Au双金属纳米材料.利用扫描电子显微镜、能量散射X-射线光谱、紫外可见光光谱仪对样品的形貌、成分进行了表征分析,研究了反应温度对产物的影响.结果表明,当反应温度为180℃,反应时间为30min时,可以得到形貌保持较好的纳米枝状结构.产物的UV-Vis光谱中只观察到一个位于单金属Ag和Au之间的吸收峰,表明形成了Au/Ag合金纳米结构.随着温度升高,置换速度加快,有利于Au的生成.

结构复合材料修补技术研究进展

综述了国内外结构复合材料修补技术的最新研究进展,对修补影响因素进行了分析,介绍了结构复合材料修补技术在航天领域中的应用。