黑科技!2厘米厚,能耐2000多度高溫​的高分子材料

作為我國載人航天工程空間站建設的主力火箭,長征五號B運載火箭代表瞭我國運載火箭技術的最高水平,在繼承長征五號火箭優秀“基因”的基礎上,長征五號B火箭身上還有許多首創的航天“黑科技”。火箭點火發射的剎那,溫度高達2000多攝氏度,足以融化絕大多數金屬和非金屬材料。此外,由於耐熱護板與舵之間的間隙很小,因此對耐熱護板的尺寸精度要求很高,還必須耐溫等級高、高溫承載性、高溫變形小。

黑科技!2厘米厚,能耐2000多度高溫​的高分子材料

傳統的耐熱護板采用鈦合金外噴防熱塗層的方案,但其塗層容易脫落,可靠性差,質量過重。隨著飛行器性能要求的進一步提升,其減重要求愈加迫切,傳統的金屬方案已經嚴重阻礙其減重要求。此外,若采用酚醛樹脂基復合材料制備耐熱護板,則其耐溫等級不足,高溫氣流沖刷下將出現損壞或較大熱變形;采用2D鋪層復合材料,則會在高溫下出現鼓泡分層現象;以上均會導致耐熱護板和舵之間出現幹涉,嚴重影響舵的運動,進而導致飛行器飛行失敗。

2厘米厚,能耐2500度高溫

黑科技!2厘米厚,能耐2000多度高溫​的高分子材料

基於以上不足,中國運載火箭技術研究院航天材料及工藝研究所采用耐高溫鄰苯二甲腈材料和近百層增強佈自主研制出一種新的發射平臺防護板,不僅能扛住火箭尾焰2500攝氏度的高溫,還可重復利用。

該材料研制人員楊昆曉介紹,傳統火箭發射平臺的表面采用刮塗無機塗層的方式來防護。

但火箭發射時,噴射的大熱量尾焰會導致無機塗層飛散,產生大量煙塵、多餘物,並對發射平臺局部造成損壞。每次火箭發射後,地面工作人員都要對發射平臺局部破壞位置進行現場修補,對無機塗層檢查、確認和局部修補,十分耗時。

那有沒有一種能夠使用維護便捷,防護性能更強的辦法呢?

為此,研制人員開展瞭可重復使用復合材料防護板的成型技術研究。

“新研制的復合材料防護板主要用耐高溫的鄰苯二甲腈材料和近100層增強佈做成。別看它隻有2厘米厚,卻能隔絕將近2500攝氏度的高溫,耐受住火箭發射時高溫和高載荷的外部沖擊。”楊昆曉介紹,新研制的防護板主要放在發射平臺的核心區,因為核心區最靠近火箭火焰中心,核心區下方有許多管道、監測器等設備,對它們的防護直接關系到火箭能否成功發射。

黑科技!2厘米厚,能耐2000多度高溫​的高分子材料
采用耐高溫鄰苯二甲腈材料和近百層增強佈制成的防護板

為瞭避免增強佈在大熱流和高溫的沖擊下產生分層、鼓包的缺陷,研制人員還采用瞭一種新的縫合技術。

楊昆曉說:“這種縫合技術就像‘納鞋底’一樣,通過一根線對增強佈來回穿插,把近100層增強佈縫合在一起。”

同時,防護板維護方法也非常簡單便捷,火箭發射後,隻需要簡單的清掃,再噴上一層漆,發射平臺就煥然一新,可以進行下一次任務。據介紹,目前,該防護板可以連續5次重復使用,現已在長征五號火箭發射中應用,使火箭發射平臺的維護效率大幅提升,對未來火箭高密度發射也具有重要意義。

黑科技!2厘米厚,能耐2000多度高溫​的高分子材料
防護板使用的位置

聚鄰苯二甲腈樹脂簡介

關於聚鄰苯二甲腈樹脂的起源,20世紀70年代,美國海軍實驗室成功制各一類在耐熱性、斷裂的韌性、和抗拉強度都優於聚酰亞胺復合材料的樹脂,即鄰苯二甲腈樹脂。目前唯一能夠滿足美國海軍易燃標準(MIL-STD-2031)潛艇防火性能的有機聚合物材料。

聚鄰苯二甲腈樹脂是由雙鄰苯二甲腈單體和各種固化劑通過加成反應合成的熱固性復合材料。其單體結構式如下,其中A至少是一個含有芳烴或雜環的二價基團,B是氧、硫或氮。

黑科技!2厘米厚,能耐2000多度高溫​的高分子材料

這類樹脂作為一種熱固性樹脂,擁有優越的耐高溫性,有著優良的阻燃性以及吸水率低等優點。

它的熔融粘度為0.01~1 pa.S,比較低,並且它固化後產物的玻璃化轉變溫度高於500 ℃,具有較長的加工窗口。但是此類樹脂也存在溶解性能差、熔點高等缺點,因此必須選取合適的固化劑對其進行催化。同時,由於鄰苯二甲腈單體存在著反應活性不高、固化後韌性較差等缺點,通常需要在它結構中加入其他原子、脂肪鏈或者醚、酮鍵等來進行結構改性,生成更為優越的改性樹脂材料。

為什麼會有這麼高的耐熱性能?

鄰苯二甲腈聚合物復合材料就是通過受熱時在其表面形成熱絕緣炭層來提高其耐高溫性能的。它在高溫下的成炭率很高,在惰性環境下其保留65%-70%炭到1000 ℃才會分解。

黑科技!2厘米厚,能耐2000多度高溫​的高分子材料

鄰苯二甲腈復合材料耐熱護板成型技術制備的產品耐溫等級高、尺寸穩定性好、高溫變形小、承載性好、減重效果顯著,解決瞭傳統金屬方案質量太重的問題,解決瞭酚醛樹脂基復合材料方案耐溫等級不足,高溫下尺寸變形較大的問題,適用於高尺寸精度耐高溫復合材料構件的制備。相信鄰苯二甲腈復合材料在未來的航空航天領域中必定會發揮更重要的作用。

相关新闻