可重复使用高超声速飞行器是21世纪航空航天事业发展的重要方向,其热防护系统是重复使用运载器的关键技术之一。陶瓷瓦作为高超声速飞行器的一种典型热防护系统,已经在美国航天飞机和X-37B等飞行器上得到大面积应用。
应变隔离垫是陶瓷瓦热防护体系中不可或缺的一部分,通过室温固化硅胶将陶瓷瓦与冷结构粘接在一起。由于陶瓷瓦和铝合金或复合材料结构的线胀系数差别很大,再入时两者有数百甚至上千度的温差,所以连接层需要具有较大的弹性变形以协调陶瓷瓦与结构间的变形。此外,机身结构受力学载荷发生应变时不允许陶瓷瓦来承受变形,同样需要通过应变隔离垫来协调,有效地防止结构因热、力而产生的变形传递给陶瓷瓦造成破坏[1]。本文选择具有耐热和阻燃性能的间位芳纶纤维长丝,通过针刺工艺制备的芳纶纤维毡作为应变隔离垫使用。从微观结构、力学、粘接及耐高温性能对芳纶纤维毡进行研究,考核其作为应变隔离垫的可靠性,为陶瓷瓦热防护系统提供参考。
1 实验 1.1 原材料应变隔离垫为芳纶纤维长丝以气相分散法制备薄网胎,网胎铺层叠加到一定面密度,通过针刺工艺制成具有平面结构的织物,织物密度0.12~0.18 g/cm3,幅宽1 m;泰美达芳纶纤维由烟台泰和新材料股份有限公司生产;GXJ-63-1胶黏剂,自制;其余辅料均为市售。
1.2 仪器设备电子万能试验机(Alliance_RF/100),美国;SEM(LEICA-S440),英国;EKO热导率测试仪(HC-74-300),日本。
1.3 试样制备 1.3.1 胶渗透试样制备裁切60 mm×60 mm大小的应变隔离垫,两面均匀涂覆胶黏剂,采用真空加压的方式加压,压力60 kPa,室温固化,固化时间2 d。
1.3.2 热处理试样制备裁切4块100 mm×100 mm大小的应变隔离垫,分别在-120、200、250、300℃下进行热处理,保温时间30 min。
1.3.3 风洞考核试样制备风洞考核试样是陶瓷瓦、应变隔离垫和铝板的粘接件,为2×2阵列,试样尺寸400 mm×400 mm。陶瓷瓦厚度40 mm,应变隔离垫厚度2 mm,铝板厚度3 mm。胶黏剂采用真空加压的方式固化,压力60 kPa,室温固化,固化时间7 d。
1.4 性能测试及表征材料密度、热导率、拉伸强度的测试分别按GB/T 17911—2006、GB/T 10295—2008、GB/T 1452—2005进行。
2 结果与讨论 2.1 材料结构图 1为应变隔离垫的针刺结构及SEM照片,由直径15 μm左右纤维相互缠结,分布均匀,针刺工艺使得部分纤维与织物平面垂直,正是这些垂直的纤维赋予应变隔离垫厚度方向的强度。在不同位置裁取100 mm×100 mm芳纶纤维毡,测试材料的密度范围为(0.18±0.01) g/cm3,可见材料密度分布均匀。
2.2 针刺密度对材料性能的影响针刺的主要目的是引入连接网胎层与层的纤维束,这些纤维束通过与网胎层的纤维“缠绕”和相互摩擦,形成一种2.5D结构的纤维毡。制备针刺密度分别为约20、35和50针/cm2三种芳纶纤维毡,测试拉伸强度分别在0.50、0.90和1.1 MPa左右,可见针刺越密,拉伸强度越高。但针刺密度增加,材料柔顺性有所降低,与冷结构的协调变形能力也随之下降,以陶瓷瓦最低拉伸强度0.7 MPa为参考,确定针刺密度为35针/cm2。
2.3 密度对材料性能的影响在材料针刺结构固定的条件下,材料密度将影响材料的隔热性能、渗透性以及固化后回弹特性。本文选用了0.12、0.15和0.18 g/m3三种密度的芳纶纤维毡,其热导率分别为0.032、0.034和0.037 W/(m·K)。以0.1 g/cm2单面用胶量进行浸透性试验,由于胶黏剂的黏度较低,当芳纶纤维毡密度为0.12 g/cm3时,胶黏剂会不断向纤维毡内部渗入(图 2),从而失去应变协调作用。表 1为3种密度芳纶纤维应变隔离垫粘接固化前后厚度尺寸。可见密度越低,渗胶层越厚、固化后反弹能力越差。当密度达0.18 g/cm3时芳纶纤维毡渗胶层最薄,厚度变化最少,具有很好的回弹能力,可满足飞行器装配需求。
从表 2可看到,材料经-120~200℃处理,尺寸无明显变化,整个处理过程材料亦无燃烧现象。这是因为间位芳纶纤维的结晶结构为三斜晶系,在其结晶结构中,氢键在晶体的两个平面上存在,以格子状排列,氢键的强烈作用使化学结构非常稳定,使芳纶纤维具有优越的耐热性和阻燃性[2]。不同温度热处理后应变隔离垫的拉伸强度如表 2所示,随着热处理温度的升高,无明显下降,可满足飞行器在轨和再入环境使用。
处理/测试条件 | 收缩率/% | 拉伸强度/MPa |
-120℃/30min | 无明显变化 | 1.01 |
未处理 | - | 0.98 |
100℃/30min | 无明显变化 | 1.28 |
150℃/30min | 无明显变化 | 1.16 |
200℃/30min | 无明显变化 | 1.19 |
为了解应变隔离垫不同温度下的变形协调能力,对经不同温度热处理后的应变隔离垫进行了室温及-120℃环境下的拉伸测试(表 3)。
可看到,材料在200℃以下温度热处理后和在-120℃环境下的拉伸位移没有明显变化,具有很好的尺寸稳定性,高温处理后和低温环境下芳纶纤维毡仍具有良好的拉伸延伸性能。
2.6 含应变隔离垫组合件考核铝蒙皮/应变隔离垫/陶瓷瓦通过胶黏剂粘接成阵列组件,进行风洞考核。对2×2阵列试验件进行最高热流405 kW/m2风洞考核,考核结束时(750 s)样件的背面仍为常温,2 000 s时背温75℃,低于应变隔离垫使用温度(200℃)。应变隔离垫有效阻止了结构因热而产生的变形传递给陶瓷瓦造成破坏。试验后样件结构完整、不松动,验证了应变隔离垫用于陶瓷瓦粘接的可靠性(图 3)。
3 结论(1) 随着应变隔离垫密度、针刺密度的增加,材料力学性能、应变协调能力增加,其柔顺性下降、随型能力降低,当材料密度为0.18 g/cm3,针刺密度为35针/cm2时,应变隔离垫的综合性能最优;
(2) 应变隔离垫具有良好的耐温性,在-120℃或200℃以下温度热处理后,材料的力学性能、应变协调能力都没有发生明显的变化;
(3) 风洞考核后,组件结构完整、不松动,验证了应变隔离垫用于陶瓷瓦粘接的可靠性。
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吴国庭. 哥伦比亚号防热系统概貌[J].
国际太空, 2003(6): 26–28.
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Cited By in Cnki (26) | |
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陈蕾, 胡祖明. 芳纶1313纤维制备技术进展[J].
高分子通报, 2014(6): 1–8.
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Cited By in Cnki (28) |