中國(guó)粉體網(wǎng)訊  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(lái)說(shuō)，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(guò)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(jiàn)于粉末冶金材料制品，是通過(guò)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(lái)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(méi)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(lái)，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Γ瑢儆诟鲊?guó)的保密技術(shù)，很少見(jiàn)諸于公開(kāi)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(lái)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(guò)材料制備過(guò)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(kāi)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(lái)，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(kāi)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(lái)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)

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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