對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件如燃?xì)舛?、噴管喉襯來說，它們的工作環(huán)境十分惡劣，在點(diǎn)火瞬間承受的溫升約2000℃/s，工作溫度通常在3000℃左右，而且還要受到氧化物粒子的不斷沖刷。因此要求材料能夠耐高溫、抗熱震、耐沖刷，并具有一定的高溫強(qiáng)度。早期應(yīng)用的材料主要有難熔金屬及其合金、石墨等，但是這些材料存在難加工、不耐沖刷和抗熱震差等缺點(diǎn)。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了發(fā)汗冷卻技術(shù)，為材料的防熱降溫提供了有效途徑。

　　發(fā)汗冷卻技術(shù)與材料

　　發(fā)汗冷卻作為仿生技術(shù)，是利用生物為了生存對(duì)所處環(huán)境(溫度)進(jìn)行自身調(diào)節(jié)的一種能力和技術(shù)，即材料在高溫環(huán)境下工作時(shí)，通過自身“出汗”以降低自身溫度，進(jìn)而達(dá)到熱防護(hù)的目的。

　　發(fā)汗冷卻按其自發(fā)性可分為自發(fā)汗和強(qiáng)迫發(fā)汗。強(qiáng)迫發(fā)汗是一種復(fù)合冷卻技術(shù)，由發(fā)汗冷卻和氣膜冷卻組成。自發(fā)汗冷卻多見于粉末冶金材料制品，是通過加入基材內(nèi)的低熔點(diǎn)金屬，在高溫下氣化蒸發(fā)帶走熱量以達(dá)到降溫的目的，基體材料一般為高熔點(diǎn)、高硬度和高強(qiáng)度的材料，加入的低熔點(diǎn)金屬一般具有良好的塑性，自發(fā)汗冷卻材料綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的耐燒蝕、抗熱震和高強(qiáng)度等性能。

　　自發(fā)汗冷卻材料最初就是作為航空航天器的防熱材料來研究的，因此，它們主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。鎢銅、鉬銅材料廣泛用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、喉襯、燃?xì)舛?、護(hù)板、緊固件等，在喉襯、燃?xì)舛嫔系膽?yīng)用比較成熟，已經(jīng)形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。石墨滲銅材料則主要用作固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯材料。陶瓷基發(fā)汗冷卻材料由于具有質(zhì)輕、耐磨、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，是一種極有希望的航空航天用高溫耐燒蝕材料，但是目前還沒有應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。

　　陶瓷基自發(fā)汗冷卻材料

　　近年來，發(fā)汗陶瓷復(fù)合材料的發(fā)展收到了廣泛關(guān)注，這些陶瓷材料不但熔點(diǎn)很高，例如ZrB2、TiB2、ZrC等熔點(diǎn)都達(dá)到了近3000℃，尤其是硼化物具有良好的高溫下抗氧化能力，有文獻(xiàn)報(bào)道TiB2/Al發(fā)汗冷卻材料在高溫試驗(yàn)中，由于Al的揮發(fā)不但起到了發(fā)汗冷卻的作用，Al高溫下形成的Al2O3氧化膜附著在材料表面，增強(qiáng)了基體的抗氧化性。這種耐高溫的金屬陶瓷復(fù)合材料一直是各國(guó)發(fā)展的重點(diǎn)，由于其輕質(zhì)、高效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在火箭和導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、噴管、喉襯以及護(hù)板等高溫位置具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，屬于各?guó)的保密技術(shù)，很少見諸于公開的研究報(bào)道。

　　目前文獻(xiàn)報(bào)道的有TiC/Cu、TiB2/Cu、TiB2/Al等材料。從目前已有的文獻(xiàn)來看，陶瓷基自發(fā)汗材料的抗熱震性能還不好，機(jī)加工性能較差，材料體系還不完善，而且缺乏對(duì)已有材料的成分、工藝、組織及性能的系統(tǒng)研究。

　　多孔陶瓷基強(qiáng)迫發(fā)汗冷卻材料

　　相對(duì)于自發(fā)汗冷卻材料，強(qiáng)迫發(fā)汗冷卻材料以液(氣)體為冷卻劑。冷卻劑一般為推進(jìn)劑的組成部分，不犧牲結(jié)構(gòu)材料的組元，熱控制方面更加容易，在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尤其是在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用前景更廣。按照冷卻劑傳輸通道的形成方式不同，強(qiáng)迫發(fā)汗冷卻材料主要分為層板式發(fā)汗冷卻材料及多孔發(fā)汗材料。

　　多孔發(fā)汗材料主要是通過材料制備過程中的不完全致密化工藝得到具有一定孔隙率的多孔體，利用其有效孔隙通道(即開孔)實(shí)現(xiàn)冷卻劑的傳輸。多孔發(fā)汗材料主要包括金屬基和陶瓷基發(fā)汗材料體系。

　　20世紀(jì)80年代以來，多孔陶瓷基發(fā)汗材料由于其輕質(zhì)、耐高溫等性能優(yōu)點(diǎn)，對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大推力、高比沖、可重復(fù)使用的研制要求具有金屬材料不可比擬的性能優(yōu)勢(shì)，成為強(qiáng)迫發(fā)汗冷卻材料研究的熱點(diǎn)。目前，主要的材料體系有多孔C/SiC復(fù)合材料及SiC泡沫陶瓷。其中，多孔SiC泡沫陶瓷材料是近些年報(bào)道的一種新型發(fā)汗冷卻材料。

　　SiC泡沫陶瓷具有高孔隙率、低密度、高比表面積、耐高溫的特點(diǎn)。其中，高孔隙率有利于冷卻劑傳輸，高比表面積有利于冷卻劑與固體骨架進(jìn)行充分的熱交換，提高發(fā)汗冷卻的冷卻效果和可靠性。目前，該研究正處于起步階段，主要進(jìn)行的工作包括材料的制備、滲透性能的測(cè)試、流體在多孔陶瓷泡沫中流動(dòng)方式的探討等。

　　小結(jié)

　　目前，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)發(fā)汗冷卻材料已經(jīng)進(jìn)行了卓有成效的研究工作，取得了不少的研究成果，我國(guó)則起步較晚，特別是在先進(jìn)陶瓷基發(fā)汗冷卻材料的研究上，基本還處于空白。發(fā)汗冷卻作為一種最有效的熱防護(hù)技術(shù)，具有良好的需求和應(yīng)用背景，有必要盡快開展發(fā)汗冷卻材料的研究工作，促進(jìn)發(fā)汗冷卻技術(shù)在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，以縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。

　　參考來源：

　　王力，等.自發(fā)汗冷卻材料的研究現(xiàn)狀.鋼鐵研究總院

　　吉洪亮，等.發(fā)汗冷卻材料研究進(jìn)展.國(guó)防科技大學(xué)

　　丁亮.燒結(jié)多孔介質(zhì)材科發(fā)汗冷卻的研究.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

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