燒蝕材料

高速飛行的隕星進入大氣層與空氣劇烈摩擦，會發生猛烈燃燒而發出的光亮。當宇宙航天器完成任務返回地球時，面臨着與隕星同樣的殘酷生存環境。研究表明，當宇宙飛行器的飛行速度達到3倍聲速時，其前端温度可達330℃；當飛行速度為6倍聲速時，可達1480℃。宇宙飛行器邀遊太空歸來，到達離地面60～70千米時，速度仍然保持在聲速的20多倍，温度在10 000℃以上，這樣的高温足以把航天器化作一團烈火。高速導致高温，這似乎是一道不可逾越的障礙，人們把這種障礙稱為熱障。顯然熱障並沒有阻擋住人類挺進宇宙的步伐，那麼科學家們是如何克服熱障。

隕石穿越太空到達地球的神奇經歷給了科學家們以特殊的啓迪。分析隕石的成分和結構發現，隕石表面雖然已經熔融，但內部的化學成分沒有發生變化。這説明隕石在下落過程中，表面因摩擦生熱達到幾千度高温而熔融，但由於穿過大氣層的時間很短，熱量來不及傳到隕石內部。給宇宙飛行器的頭部戴一頂用燒蝕材料製成的“盔甲”，把摩擦產生的熱量消耗在燒蝕材料的熔觸、氣化等一系列物理和化學變化中，“丟卒保車”，就能達到保護宇宙飛行器的目的。 導彈和航天器再入大氣層時，處於嚴重的氣動加熱環境中，温度急劇升高。洲際導彈如以馬赫數20～25再入大氣層，頭部駐點温度可高達8000～12000°C,如不採取特別措施來克服氣動加熱所造成的“熱障”，彈頭便會在空中燒燬。解決再入時的防熱問題是發展中、遠程導彈的一項極為重要的技術。由於燒蝕材料的發展和應用，洲際導彈的戰鬥部才有可能再入大氣層命中目標，載人飛船和航天飛機才有可能按預定軌道返回地面。

一位宇航員描述了宇宙飛船闖過熱障的壯觀景象：飛船進入大氣層，首先從舷窗中看到煙霧，然後出現五彩繽紛的火焰，同時發出噼噼啪啪的聲音。這是飛船頭部的燒蝕材料在燃燒，它們犧牲了自己，把飛船內的温度始終維持在常温範圍，保護飛船平安返回地面。

作為燒蝕材料，要求氣化熱大，熱容量大，絕熱性好，向外界輻射熱量的功能強。燒蝕材料有多種，陶瓷是其中的佼佼者，而纖維補強陶瓷材料是最佳選擇。近年來，研製成功了許多具有高強度。高彈性模量的纖維，如碳纖維、硼纖維、碳化鋯纖維和氧化鋁纖維，用它們製成的碳化物、氨化物複合陶瓷是優異的燒蝕材料，成為航天飛行器的不破盔甲。

燒蝕材料按燒蝕機理分為昇華型、熔化型和碳化型三類。聚四氟乙烯(泰氟隆)、石墨、碳-碳複合材料屬於昇華型燒蝕材料。 其中的碳-碳複合材料是用碳（石墨）纖維或織物為增強材料，用沉積碳或浸漬碳為基體制成的複合材料。碳在高温下昇華，吸收熱量，而且碳還是一種輻射係數較高的材料，因而有很好的抗燒蝕性能。石英和玻璃類材料屬於熔化型燒蝕材料，它的主要成分是二氧化硅，例如高硅氧玻璃內含二氧化硅96%～99%。二氧化硅在高温下有很高的粘度,熔融的液態膜具有抵抗高速氣流沖刷的能力，並能在吸收氣動熱後熔化和蒸發。纖維增強酚醛塑料屬於碳化型燒蝕材料。它是以纖維或布為增強材料，以浸漬酚醛樹脂為基體制成的複合材料。選用酚醛樹脂作基體是因為它具有抗燒蝕、碳層強度高、碳含量高和工藝性能好等優點。燒蝕材料按密度分為高密度和低密度兩種。高密度燒蝕材料的密度一般大於1.0克/釐米3。各種纖維增強塑料、碳 -碳複合材料和石墨都屬於高密度燒蝕材料。低密度燒蝕材料是指以輕質填料作為填充劑、以纖維作增強材料和以酚醛樹脂、環氧樹脂或硅橡膠作基體的複合材料。這類材料的密度一般可以根據使用要求進行調整，變化範圍在0.2～0.9克/釐米 3之間。將低密度燒蝕材料作填充劑，填充在玻璃鋼蜂窩內形成複合結構，能夠改進碳層的性能。

彈道導彈再入大氣層時的環境特點是高焓、高熱流、高駐點壓力，而且再入的時間很短。彈頭表面產生嚴重燒蝕的主要因素是熱化學燒蝕、機械剝蝕、粒子云的衝擊和熱應力破壞。因此，導彈頭部都採用高密度燒蝕材料：潛地導彈採用石墨作端頭材料；地地導彈用的燒蝕材料已逐漸由石棉增強酚醛塑料、玻璃增強酚醛塑料、尼龍增強酚醛塑料發展為高硅氧增強酚醛塑料。為了獲得更高的再入速度，彈道導彈頭部設計更趨細長，燒蝕材料也由硅基轉向碳基。碳布增強的酚醛塑料比高硅氧增強的酚醛塑料具有更低的密度和更好的抗燒蝕性能。60年代研製的戰略進攻導彈採用了突防能力強、精度高的多彈頭，要求材料的燒蝕量少而且對稱，能保持良好的氣動外形，以保證落點的精度。因此，新型燒蝕材料如碳－碳複合材料和高應變石墨得到了發展。在高駐點壓力下,碳-碳複合材料端頭（見圖）不僅燒蝕量小，外形對稱,而且表面光滑。

導彈用的燒蝕材料發展較早。早期的航天器再入艙用的燒蝕材料沿用導彈用的高密度燒蝕材料。但是，航天器再入的特點是低熱流、高焓、低駐點壓力，而且再入時間很長。在這種條件下，材料的隔熱性能和密度特別重要。導彈用的燒蝕材料已不能滿足航天器再入的要求。60年代以來，低密度燒蝕材料得到很大發展。

隨着導彈和航天器技術的發展，一些火箭發動機的燃燒室和噴管也採用了燒蝕防熱方案。所用燒蝕材料有熱解石墨、高硅氧增強酚醛塑料、碳布（石墨布）增強酚醛塑料。80年代以來,碳-碳複合材料在固體火箭發動機噴管中得到了成功的應用。燒蝕材料還可用來解決火箭發動機底部、箱體級間段、航天飛機鼻錐、機翼前緣等部位的防熱問題。