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什么皮肤？能扛得住3000℃的高温？

科王振约 7 分钟


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“5,4,3,2,1，点火！！！”在尾部 高压燃剂 的助力下，载着人类的期许，火箭挣开大地的束缚，奔向浩瀚的宇宙。众所周知， 火箭和航天器在超高速飞行的过程中，与大气摩擦产生大量的热 ，那么如此极端温度下是谁保证了航天飞行器的正常运转呢？


空间站实验 舱发射

图片来源：中国载人 航天网


与空气摩擦生热高达 2000℃！

随着航空航天技术迅猛发展和实现空天一体化的迫切需要，近年来，高超音速飞行器成为了多国航空航天部门发展的重点领域。 所谓高超音速飞行意味着其飞行速度等于或大于5倍音速，即至少每小时6120公里 ，以此速度，约2小时便可从北京飞到伦敦。 但在稠密大气中以每秒差不多1.7公里的惊人速度飞行，会和空气剧烈摩擦，产生大量的热量，导致航天器表面温度达到2000℃以上。


返回舱示意图

图片来源：veer图库


2000℃是什么概念呢？就是铁、钢、铜、金、铝等材质的材料，都将会直接熔化。但是航天器里面是有航天员的，例如 神舟十二号载人飞船返回舱载着三名航天员返回地球，返回舱与大气层剧烈摩擦形成一个大火球，表面温度峰值达到1650℃，而内部温度不能超过30℃ ，但难熔金属材料密度高、加工性能和抗氧化性差，不适合作为高超音速飞行器的热防护材料。C/C复合材料虽已用于导弹、航天飞机等领域，但其高温下易发生氧化，限制了它在超高温领域的应用，因此我们需要更加先进的手段满足要求。
根据超音速空气动力学，飞行器在以高超音速飞行时，空气的粘性作用致使飞行器表面产生强烈的气动热，能使附着气体产生分解和电离，形成复杂的混合气体，飞行器前缘驻点温度将高达2000℃以上， 飞行器自身周围也包裹在1000℃以上的高温环境中。

高超音速火箭示意图

图片来源：veer图库


例如中国火箭“胖五”托举火星探测器需要加速到每秒11.2千米以上的速度。但如此高速飞行，前提是飞行器的关键结构部件能够承受住剧烈的空气摩擦和高达2000-3000℃的热气流冲击而不被破坏。另外，单体内部的各个电子组件，自身发热的同时又不便于散热，如何防止它们自燃或者熔化，也是一个问题，这就需要一种高效的热防护材料，而新发现的 超高温陶瓷涂层及其复合材料 可为上述部件提供较好的保护。
20世纪90年代美国开始实行SHARP计划，到目前为止，美国NASA研究的HfB2-SiC超高温陶瓷最为出名。国内从20世纪70年代开始开展超高温材料的探索工作，已经获得了许多可喜成果。特别是近年来， 国内相关单位 已经联合开展超高温陶瓷材料的研究工作并得到一些实际应用， 新一代部分航天器研制也已经开展。
飞行器前端温度分布 图片来源：中国数字科技馆
航天器防护的探索历程

航天器热防护的主要途径有两种：一是减少来流的气动加热；二是设法吸收或耗散这种热量。按照这两种途径，科学家研制出的热防护技术主要有以下几种：

激波防热及热沉防热： 最早采用的一种热防护技术是基于钝头的激波防热技术，利用这层激波可以耗散大量能量并实现航天器自身快速减速，从而减少作用于其表面的气动加热作用，选用的材料是具有高热容量的金属 (如钨、钼、铜等)。但是，由于吸热量不够大且较为笨重， 目前新一代航天器已经淘汰了这种技术，但在空间探测领域仍有广泛的应用。


烧蚀防热： 烧蚀防热是指在热流环境中，防热材料能够发生分解、熔化、升华等多种吸收热能的物理化学变化，通过材料自身的质量损失消耗带走大量热量，以达到阻止热流传入结构内部的目的（如下图）。烧蚀防热材料按烧蚀机理可以分为 升华型、熔化型和碳化型 三类。目前大范围应用于导弹弹头、方向舵、发动机喷管以及航天器等高速飞行器 (或部件) 的表面热防护系统中。

烧蚀类热防护材料的能量调节机制 图片来源：作者自制
可重复使用热防护系统： 可重复使用的热防护材料表面应具有较高的辐射率(最大限度地将热量再辐射出去)和较低的表面催化效率(通过抑制表面已分离边界层物质再结合来最大限度地减小热传导)。航天飞机使用的可重复使用热防护系统防热结构主要有 薄壳式防热结构 和 陶瓷防热结构 两大类。

对于可重复使用的新型热防护系统及材料来说，提高材料的最高使用温度和表面热辐射率、防隔热一体化以及结合能量疏导和耗散机制的主被动结合防热成为目前的研究热点和重点。 在新一代的超音速航天器热防护系统严苛要求下，超高温陶瓷材料应运而生。
扛得住3000℃的超强皮肤

超高温陶瓷(UHTCs)通常指熔点超过3000℃，并在极端环境中保持稳定的物理和化学性质的一类特殊陶瓷材料，通常包括过渡金属硼化物、碳化物、氮化物及其复合材料。
高熔点、高硬度、低密度。 航天器所使用的隔热材料需要在高温下保持原有强度与刚度；受较大热应力不变形；耐热疲劳特性优秀；此外其密度必须非常小且易加工。相比于其他材料，超高温陶瓷有着较高的熔点和硬度，例如高熔点过渡金属化合物中， TaC 、 ZrB 2 、 HfB 2 、 HfC 等的熔点超过了3000℃，从而使得它们在极端高温条件下依然能够保证航天器的正常飞行。

硼化物、碳化物和氮化物UHTCs的熔点和密度 图片来源：著作-超高温陶瓷复合材料
重量轻，抗弯强度高。 超高温陶瓷材料并不是单独使用，一般与碳纤维形成复合材料后应用，从而使其具有其他金属材料无可比拟的优势。 既满足了航天器对轻质量的要求，同时拥有较高的弯曲能力，保证了对不同形状的航天器外壳均能够编织出对应的防护层。

抗烧蚀性和抗热震性。 超高温陶瓷复合材料最大特点是：宏观上看是均质材料，微观上看是非均质材料。非均质材料是指沿着某一方向其物理、化学、力学等单一或复合性能发生变化，以适应不同环境，实现某种特殊功能的先进材料，由于分子间的作用力来源于结合方式，因此可以通过设计，航天器具有优秀的抗烧蚀能力，能够完美地对航天器进行降温，带走大量的热量。
除此之外，超高温陶瓷复合材料还能够通过调控使各组分的优势得到更大的发挥，同时可以重复回收利用，大大地降低了热防护材料的成本，将对未来航天航空的发展产生重大的影响。

星辰浩瀚，征程漫漫

高超声速飞行器飞行速度不断提高，服役环境越来越恶劣，飞行器的热防护问题也日益复杂。虽然超高温陶瓷材料具有优异的高温综合性能，然而其较低的损伤容限和抗热冲击性能限制了该材料的工程应用。

未来科学家将通过微结构的设计和控制实现超高温陶瓷材料损伤容限和可靠性的大幅度提高，为超高温陶瓷材料的应用奠定基础。在诸多超高温陶瓷复合材料强韧化方法中， 碳纤维增强增韧、纤维增强体结构与性能退化的抑制及多尺度增韧将是超高温陶瓷复合材料未来强韧化的主要研究方 向。
随着中国国防能力的不断提高，新一代载人飞船和新一代大推力火箭都已在研制过程中，同时还需要性能更加优秀的材料等待着我们，中国航天要“走得比梦还远”。

浩瀚的星空

图片来源：pixabay.com


星空浩瀚无垠，探索永无止境，中国航天的征途永远是星辰大海。

参考资料： [1] 中国载人航天官网www.cmse.gov.cn/xwzx/202210/t20221031_51175.html [2] 中国数字科技馆 (www.cdstm.cn) [3] 陈玉峰，胡平等. 空天飞行器用热防护陶瓷材料. 现代技术陶瓷2017，38(5):1005-1198. [4] 学粉网https://xue.cnpowder.com.cn/bkdetail_54370.html [5] 郭强强, 冯志海, 周延春. 超高温陶瓷的研究进展[J]. 宇航材料工艺, 2015, 45(5):1-13. [6] 严春雷, 刘荣军, 曹英斌,等. 超高温陶瓷基复合材料制备工艺研究进展[J]. 宇航材料工艺, 2012, 42(4):7-11. [7] 于军, 章德铭, 杨永琦,等. 超高温陶瓷材料的研究[J]. 热喷涂技术, 2011, 3(1):29-33. [8] J.F. Justin, A. Jankowiak. Ultra HighTemperature Ceramics: Densification, Properties and Thermal Stability[J]. Aerospace Lab Journal, 2011,3(8):1-11.

作者： 王振 作者单位：中国科学院合肥物质研究院固体物理研究所


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