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黑科技!2厘米厚,能耐2000多度高温​的高分子材料

   日期:2020-06-10     来源:高分子科学前沿    浏览:502    评论:0    
核心提示:作为我国载人航天工程空间站建设的主力火箭,长征五号B运载火箭代表了我国运载火箭技术的最高水平,在继承长征五号火箭优秀“基因”的基础上,长征五号B火箭身上还有许多首创的航天“黑科技”。
      作为我国载人航天工程空间站建设的主力火箭,长征五号B运载火箭代表了我国运载火箭技术的最高水平,在继承长征五号火箭优秀“基因”的基础上,长征五号B火箭身上还有许多首创的航天“黑科技”。火箭点火发射的刹那,温度高达2000多摄氏度,足以融化绝大多数金属和非金属材料。此外,由于耐热护板与舵之间的间隙很小,因此对耐热护板的尺寸精度要求很高,还必须耐温等级高、高温承载性、高温变形小。

 

传统的耐热护板采用钛合金外喷防热涂层的方案,但其涂层容易脱落,可靠性差,质量过重。随着飞行器性能要求的进一步提升,其减重要求愈加迫切,传统的金属方案已经严重阻碍其减重要求。此外,若采用酚醛树脂基复合材料制备耐热护板,则其耐温等级不足,高温气流冲刷下将出现损坏或较大热变形;采用2D铺层复合材料,则会在高温下出现鼓泡分层现象;以上均会导致耐热护板和舵之间出现干涉,严重影响舵的运动,进而导致飞行器飞行失败。

 

2厘米厚,能耐2500度高温

 

 

基于以上不足,中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所采用耐高温邻苯二甲腈材料和近百层增强布自主研制出一种新的发射平台防护板,不仅能扛住火箭尾焰2500摄氏度的高温,还可重复利用。该材料研制人员杨昆晓介绍,传统火箭发射平台的表面采用刮涂无机涂层的方式来防护。但火箭发射时,喷射的大热量尾焰会导致无机涂层飞散,产生大量烟尘、多余物,并对发射平台局部造成损坏。每次火箭发射后,地面工作人员都要对发射平台局部破坏位置进行现场修补,对无机涂层检查、确认和局部修补,十分耗时。那有没有一种能够使用维护便捷,防护性能更强的办法呢?为此,研制人员开展了可重复使用复合材料防护板的成型技术研究。“新研制的复合材料防护板主要用耐高温的邻苯二甲腈材料和近100层增强布做成。别看它只有2厘米厚,却能隔绝将近2500摄氏度的高温,耐受住火箭发射时高温和高载荷的外部冲击。”杨昆晓介绍,新研制的防护板主要放在发射平台的核心区,因为核心区最靠近火箭火焰中心,核心区下方有许多管道、监测器等设备,对它们的防护直接关系到火箭能否成功发射。

采用耐高温邻苯二甲腈材料和近百层增强布制成的防护板

为了避免增强布在大热流和高温的冲击下产生分层、鼓包的缺陷,研制人员还采用了一种新的缝合技术。杨昆晓说:“这种缝合技术就像‘纳鞋底’一样,通过一根线对增强布来回穿插,把近100层增强布缝合在一起。”同时,防护板维护方法也非常简单便捷,火箭发射后,只需要简单的清扫,再喷上一层漆,发射平台就焕然一新,可以进行下一次任务。据介绍,目前,该防护板可以连续5次重复使用,现已在长征五号火箭发射中应用,使火箭发射平台的维护效率大幅提升,对未来火箭高密度发射也具有重要意义。

 

防护板使用的位置

聚邻苯二甲腈树脂简介

 

关于聚邻苯二甲腈树脂的起源,20世纪70年代,美国海军实验室成功制各一类在耐热性、断裂的韧性、和抗拉强度都优于聚酰亚胺复合材料的树脂,即邻苯二甲腈树脂。目前唯一能够满足美国海军易燃标准(MIL-STD-2031)潜艇防火性能的有机聚合物材料。

 

聚邻苯二甲腈树脂是由双邻苯二甲腈单体和各种固化剂通过加成反应合成的热固性复合材料。其单体结构式如下,其中A至少是一个含有芳烃或杂环的二价基团,B是氧、硫或氮。

 

 

 

这类树脂作为一种热固性树脂,拥有优越的耐高温性,有着优良的阻燃性以及吸水率低等优点。它的熔融粘度为0.01~1 pa.S,比较低,并且它固化后产物的玻璃化转变温度高于500 ℃,具有较长的加工窗口。但是此类树脂也存在溶解性能差、熔点高等缺点,因此必须选取合适的固化剂对其进行催化。同时,由于邻苯二甲腈单体存在着反应活性不高、固化后韧性较差等缺点,通常需要在它结构中加入其他原子、脂肪链或者醚、酮键等来进行结构改性,生成更为优越的改性树脂材料。

 

为什么会有这么高的耐热性能?

 

邻苯二甲腈聚合物复合材料就是通过受热时在其表面形成热绝缘炭层来提高其耐高温性能的。它在高温下的成炭率很高,在惰性环境下其保留65%-70%炭到1000 ℃才会分解。

 

 

 

邻苯二甲腈复合材料耐热护板成型技术制备的产品耐温等级高、尺寸稳定性好、高温变形小、承载性好、减重效果显著,解决了传统金属方案质量太重的问题,解决了酚醛树脂基复合材料方案耐温等级不足,高温下尺寸变形较大的问题,适用于高尺寸精度耐高温复合材料构件的制备。相信邻苯二甲腈复合材料在未来的航空航天领域中必定会发挥更重要的作用。

 
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标签: 复合材料
 
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