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                      火箭發射臺用熱防護涂層材料探究

                      [2019-03-26 15:38]
                      目前,航天領域應用較為成熟的熱防護技術主要有 3 種:1)輻射式防熱,其機理是受熱溫度升高時以輻射形式向周圍輻射大量熱能,通常由涂有高輻射涂層的難熔金屬、耐熱外蒙皮、隔熱層和內部結構組成;2)吸熱式防熱,它是利用結構自身的熱容吸熱來達到防熱的目的,通常采用比熱容大、熔點高和熱導率大的材料;3)燒蝕式防熱,當對連續較高溫度表面加熱,熱流及熱量不能迅速地從表面傳到內部,而材料的表面在熔化中損失,下表面的材料卻維持一定的溫度足以保證材料的強度[1—3]。燒蝕式防熱是最常用的防熱技術之一,是一種以消耗物質來換取防熱效果的積極防熱方式。隨著航天、宇航事業的發展,熱防護涂料不斷開拓了新的應用領域。除了飛行器本身的熱防護外[4—5],地面設施如火箭發射臺也增加了熱防護措施。如果將火箭發射臺涂以熱防護涂料,可使金屬表面隔熱,減少熱燒蝕和熱沖擊,并防止發射臺在多次熱沖擊載荷作用下產生熱疲勞、熱龜裂和熱斷裂,從而可確;鸺l射臺工作的可靠性,減少火箭發射臺的維修次數,延長火箭發射臺的使用壽命。在國外,歐洲航天局位于南美圭亞那的阿里安火箭發射平臺為混凝土發射平臺,這類完全由無機非金屬材料構筑的發射臺抗燃氣吹掃燒蝕性能良好,但缺點是重量大,且發射臺無法進行移動。在國內,有的采用玻璃纖維增強酚醛樹脂等有機燒蝕涂料或者一些無機材料制備成熱防護涂料[6—7],雖然能夠對發射臺起到保護作用,但一般情況下,施工條件要求較高,或因為涂料需要高溫固化,或因為耐候性較差等原因,均未得到廣泛應用。有機耐燒蝕涂料一般都沒有通用性,主要依據不同的隔熱要求來設計不同的涂料的性能[8]。國內外尚未有對火箭發射臺用的熱防護涂層材料方面的研究報道。本文針對國內火箭發射臺在使用過程中遇到的熱燒蝕和熱沖擊等情況,研究開發出了一種熱防護涂層材料。文中首先研究了熱防護涂層材料的結構、力學性能和熱學性能,在此基礎上將研制的熱防護涂層在國內某火箭發射臺上進行了使用,并對熱防護涂層材料的綜合性能進行了敘述。
                       
                      一、試驗
                      1、原材料
                      試驗用主要原料為環氧樹脂、固化劑 A、增韌劑、有機膠、固化劑 B 和填料。用于火箭發射臺的熱防護涂層材料采用雙層結構,其主要組成見表 1。
                       
                      2、試樣制備
                      底層制備:將環氧樹脂、固化劑 A、增韌劑混合后,分別涂覆在f20 mm 的圓柱形鋼柱表面(用于測試底層材料的附著力和彈性模量),以及除銹、除漆后的 190 mm×120 mm×5 mm 的鋼板上(待涂覆表層材料后,用于測試熱防護涂層材料的耐燒蝕及隔熱性能)。
                      表層制備:首先將有機膠和固化劑 B 混合后,再加入填料。待混合均勻后,將表層材料涂覆于已經涂覆底層材料且尚未固化的 190 mm×120 mm×5 mm 的鋼板上。分別在鋼板上制備總厚度(底層+表層)為6 mm 和 15 mm 的熱防護涂層材料。
                      3、性能測試
                      1)涂層厚度。采用德國 EPK 公司制造的 Minitest2100 型涂層測厚儀測量涂層的厚度。
                      2)附著力和彈性模量測試。采用國產 HY-1080型微機控制電子萬能材料試驗機進行涂層的附著力和彈性模量測試。按照 GB/T 5210—2006 檢測試樣的附著力。
                      3)耐燒蝕及隔熱性能測試。采用 YA6804 型氧氣煤油發動機對試樣進行試驗件背面溫度和涂層材料表面耐燒蝕性能的測試。試驗條件:發動機燃料為氧氣、煤油,發動機燃燒室壓力 pc=(1.4±0.05) MPa,發動機余氧系數 α=0.7±0.03,發動機噴口直徑 65 mm,燃氣流流速 2390 m/s,燒蝕試驗時間每件 5 s。
                       
                      二、結果與討論
                      1、涂層材料結構研究
                      環氧樹脂材料具有優良的粘結性能、機械性能和物理性能[9],但其耐熱性較差。目前國內的熱防護涂層材料大多采用單層結構,即通過在環氧樹脂基體中添加耐熱的填料來提高涂層整體的耐熱性能。這種結構的熱防護涂層材料一方面要考慮與基材的結合強度,同時還要考慮耐熱效果。環氧樹脂等有機材料與金屬基材具有良好的粘結性能,而起到耐高溫、耐燒蝕、隔熱作用的通常是無機填料[10—14],但過多地引入無機填料會降低熱防護涂料與基材的結合強度。本試驗利用環氧樹脂優良的粘結性能,將其作為熱防護涂層材料的底層材料使用,起到連結表層材料和鋼板的作用。由于環氧樹脂的耐熱性較差,故其不適合直接接觸火箭尾焰的吹掃,因此在其表面再涂覆一層耐熱性優良的表層材料。這種復合結構兼有耐熱性和與底材鋼板結合牢固的特點,因此非常適用于火箭發射臺的熱防護。
                      2、填料選擇
                      為了增強表層材料的耐壓強度,選用了一種具有一定顆粒度的填料 A。填料 A 不僅具有合適的粒徑,從性能上,還要求其具有一定的隔熱性能。此外,為了使研制的該熱防護涂層材料滿足施工立面的需求,在表層材料中加入了填料 B 和填料 C。填料 B 和填料 C 的引入,一方面可以調節熱防護涂層材料的流淌性,另一方面進一步增強了表層材料的耐熱性能和抗燒蝕性能,同時也提高了材料的強度。
                      3、附著力和彈性模量
                      表 2 是熱防護涂層材料的力學性能。從表 2 中的數據可知,熱防護涂層材料底層的附著力達到 5.35MPa,說明涂層材料與金屬基體具有良好的結合強度。
                      4、熱防護涂層材料的耐燒蝕性能及隔熱性能
                      通過小板隔熱試驗研究熱防護涂層材料的耐燒蝕性能以及隔熱性能。按照 1.3 節中敘述的試驗條件,用小型縮比試驗發動機模擬火箭發射時尾焰的吹掃,分別對 6 mm 和 15 mm 厚的熱防護涂層進行耐熱燒蝕測試,熱流測試模型安裝示意圖如圖 1 所示,熱流密度見表 3,各點對應的壓力見表 4。熱防護涂層的背面溫度與燒蝕時間的變化曲線如圖 2 所示。
                       
                      從圖 2 可以看出,分別涂覆兩種厚度的熱防護涂層材料的金屬件背面溫度均未超過 50 ℃,并且隨著涂層材料厚度的增加,熱防護涂層材料的隔熱性能更佳。當熱防護涂層材料厚度為 15 mm 時,涂層材料的背面溫度最高不超過 40 ℃。此外,通過觀察熱防護涂層材料在燒蝕前后的表面形貌發現,試樣燒蝕前,表面呈黃色且相對平整光滑,燒蝕后,表面呈灰黑色伴隨有熔融現象,還有小孔和孔洞出現,表明材料內部有熱解反應,但沒有發生脫落的不良現象。分析其原因,表層材料是以耐高溫的有機樹脂為基體再配以無機填料,有機樹脂一般在 200~600 ℃之間會出現熱解反應,放出熱解氣體,溫度再升高,熱解反應結束,殘余產物與無機填料會形成較堅實的多孔介質層,即碳化層,形成的碳化層具有輻射散熱和阻塞熱流的作用。同時,碳化層表面與氣體中氧接觸會發生氧化反應,研究表明[15],當發生氧化反應的碳化層的表面溫度大于 1425 ℃時,表面材料的 SiO2 會熔融,由于其高粘性,不易被縮比發動機的燃氣流吹掉,從而起到隔熱的作用。
                       
                      在耐燒蝕性方面,表 5 示出了縮比發動機模擬火箭尾焰燒蝕結果。由表 5 可知,熱防護涂層的線燒蝕率的平均值為 0.515 mm/s?梢,該材料的耐燒蝕性良好,當涂層厚度為 15 mm 時,可滿足火箭多次發射的需求。
                       
                      三、應用
                      根據上述試驗結果,將研制的熱防護涂層材料在國內某火箭發射臺上進行了實際使用。結果表明:火箭發射后,涂覆的熱防護涂層材料經過火箭尾焰吹掃后,涂層能夠承受燃氣流沖刷,脫落的涂層面積不超過總涂覆面積的 10%,僅有少部分被吹掃掉。因此,研制的熱防護涂層材料可以在火箭發射臺上使用,并且效果良好,起到了保護火箭發射臺的作用。
                       
                      四、結語
                      1、本文所研制的火箭發射臺用熱防護涂層材料具有良好的力學性能,其附著力達到 5.35 MPa,彈性模量為 446.72 MPa。
                      2、所研制的熱防護涂層材料具有良好的隔熱性能和耐燒蝕性能,當熱防護涂層材料厚度為 15mm 時,涂覆熱防護涂層材料的金屬件背面溫度最高不超過 40 ℃,熱防護涂層線燒蝕率的平均值為0.515 mm/s。
                      3、經過火箭發射臺現場實際使用表明,火箭發射后,熱防護涂層材料的脫落面積不超過總涂覆面積的 10%,所研制的熱防護涂層材料滿足火箭發射的使用條件,并且使用效果良好,起到了保護火箭發射臺的作用。

                       

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