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前言

空天飞行器是指能够飞行在临近空间或空间执行特定任务并能长时间驻留的飞行器，是实现快速远程输送、精确打击、远程实时侦查、持久高空监视、情报搜集和通信中继等任务最为有效的手段。典型的空天飞行器可以分为三类 (图 1)：可重复使用轨道机动式(Single Stage to Orbit, SSTO; Two Stage to Orbit, TSTO)、高超声速助推滑翔式 (Hypersonic Technology Vehicle, HTV) 和高超声速巡航式(Hypersonic Cruise Vehicle, HCV)。这些飞行器的飞行速度一般均达到 5 倍音速以上，因而也被称为超高声速飞行器，是未来航天航空技术新的制高点，具有战略性、前瞻性、标志性和带动性。近年来，临近空间特殊的战略价值已经受到许多国家的重视，高超声速飞行器也成为各国近期竞相研究的热点。美国、俄罗斯、欧洲、韩国、日本、以色列等国家和地区都投入了大量经费并制定了一系列研究计划，积极开展高超声速飞行器的研制。从总体上看，目前高超声速飞行器仍处于关键技术的攻关和演示验证阶段。

热防护系统 (Thermal Protection System, TPS) 是研制和保障空天飞行器在极端环境下安全服役最为关键的技术之一。飞行器在高速进入大气层的过程中，气流会在飞行器的外表面形成一个激波层。高速气流在流经该激波层时受到压缩，导致大量动能转化为热能，并使得气流温度急剧升高。当激波层内部分气体传递至飞行器表面时，与飞行器表面产生剪切力和内粘性，从而导致这部分气体温度进一步提高。这部分气体所处的区域被称为边界层。由于边界层内气体温度远高于飞行器表面，因此边界层内的气体与飞行器表面将产生对流传热作用，并导致飞行器表面温度升高，这就是所谓的气动加热，即高速空气绕流飞行器所产生的加热行为。由于气动加热作用本质上是一种动能向热能的转化，因此该作用产生的热流密度与飞行器速度密切相关。飞行器表面的热流密度近似随飞行速度的三次方快速增长，并与大气密度成正比关系。

图2所示为直径1 inch (2.5 cm) 的球体在三种不同轨道飞行器上表面热流随温度的变化关系。第一种为载人航天飞行器近地轨道载入，第二种为单级轨道吸气式飞行器上升阶段，第三种为航天飞机轨道器下降过程。从图中可以看出，在第一种情况下，球体表面热流在很短的时间内就能达到最大值；而在第三种情况下，较长时间内球体表面仍保持着最大的热流密度。TPS 的主要功能便是控制进入飞行器的热流，使底层主体结构维持在所允许的温度范围内。

近十年来，高超声速技术研究如火如荼地进行，尽管在取得重大突破的同时，还在部分相关型号上获得飞行演示验证，但满足新型飞行器构型和轨道要求的“新热障”问题仍然是一个难以回避的重大问题。空间、临近空间和大气层内长时间高超声速滑翔/巡航/轨道机动飞行，是目前多种新型空天飞行器发展的热点和未来发展趋势，飞行速度的提高和机动能力的提升促使许多传统热防护系统观念发生了改变。尤其是近年来，随着载人航天、登月与深空探测、高超声速飞行器、重复使用运载器、空间机动飞行器等航天科技发展与航天工程的实施，对防热复合材料又提出了全新、更加可靠的技术要求，为热防护材料的发展提供了前所未有的机遇和挑战。现有防热材料体系在高温物理化学稳定性、能量耗散效率以及有效服役时间等方面都还存在诸多不足，已成为新型飞行器研制中关键性的制约因素之一。拓展现有热防护系统及相关热防护材料的耐极端环境能力、探索新的热防护材料体系成为发展高超声速飞行器和空天飞行器技术的迫切需求。

本文在对空天飞行器用热防护材料的历史及现状进行全方位的综合评述的基础上，提出了热防护材料的发展方向，以期为未来进一步发展更加高效、可靠的热防护材料提供参考。

1 热防护技术发展历史

飞行器热防护的主要途径有两种：一是减少来流的气动加热；二是设法吸收或耗散这种热量。

1.1 激波防热及热沉防热

最早采用的一种热防护技术是基于钝头的激波防热技术，它是借助于第一种途径来实现防热作用的。在导弹发展初期，弹头设计通常经验性地倾向于“长型针状”设计，但这种气动外形不能满足导弹增程的发展要求。风洞测试表明这种弹头根本承受不了巨大的气动加热作用。1952年，NASA Ames 研究所的 Allen 等人研究发现采用钝型弹头能够提供较厚激波层，利用这层激波可以耗散大量的能量并实现导弹自身快速减速，从而减少作用于导弹表面的气动加热作用[4]。目前，钝头防热设计已经很少应用于现代导弹中，但本文后面将提到，这一设计思想在载人航天、空间探测领域仍有广泛的应用。

1.2 烧蚀防热

烧蚀防热技术的出现可以看成是在根本克服高速飞行器气动加热问题方面开辟出的一条具有革命性的全新技术途径。烧蚀防热是指在热流环境中，防热材料能够发生分解、熔化、升华等多种吸收热能的物理化学变化，通过材料自身的质量损失消耗带走大量热量，以达到阻止热流传入结构内部的目的 (图 3)。

1.3 可重复使用热防护系统

到了20世纪60年代末，在“阿波罗”飞船登月之后，美国提出天地往返可重复使用飞行器概念。航天飞机是再入技术与飞机技术的巧妙结合，是航天运输系统由一次性使用向可重复使用的过渡。传统的烧蚀热防护是以牺牲防热材料的质量损失换取防热的效果。对于可重复使用的航天飞机的热防护要求，烧蚀热防护显然已无能为力。于是，可重复使用热防护技术应运而生。

1.4 新型可重复使用热防护材料

随着高超声速飞行器飞行速度不断提高，服役环境越来越恶劣，飞行器的热防护问题也日益复杂。对于可重复使用的新型热防护系统及材料来说，提高材料的最高使用温度和表面热辐射率、防隔热一体化以及结合能量疏导和耗散机制的主被动结合防热成为目前的研究热点和重点。在这一背景下，新的防热概念和防热材料如金属 TPS 热防护系统、整体增韧抗氧化复合材料 TUFROC(Toughened Uni-Piece Fibrous Reinforced Oxidation-Resistant Composite) 防热材料、超高温陶瓷等相继出现。

2 超高温陶瓷及其复合材料

超高温陶瓷 (UHTCs) 是指在高温环境以及反应气氛中能够保持物理和化学稳定性的一类陶瓷材料，主要包括一些过渡族金属的难熔硼化物、碳化物和氮化物，如 ZrB₂、HfB₂、TaC、HfC、ZrC、HfN 等。关于 UHTCs 的研究早在 20 世纪 60 年代就已经开始出现，但当时由于所用原材料的纯度不够而很难获得性能优异的材料而被迫放弃。20 世纪 90 年代末，对超高温非烧蚀热防护材料的迫切需求使这类材料的重新成为研究热点。目前，UHTCs 已经得到了国际材料界的广泛关注。

本章从制备、强韧化及抗氧化性能等几个方面对 UHTCs 进行了全面的综述。

3 碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料

超高温陶瓷 (UHTCs) 在超高温下具有良好的抗氧化、烧蚀性能以及较高的强度。但是，USTCs 本身也存在一些不足，如断裂韧性低及抗热震性较差等，这也导致了这类材料在严酷环境下进行服役的可靠性需要进一步提高。

在过去20 多年里，具有良好的高温强度、高温断裂韧性、优异的抗热震、氧化、烧蚀以及可靠性的 C/C 和 C/SiC 复合材料得到了快速发展。这些复合材料已被广泛应用于火箭发动机燃烧室、推进器、鼻锥等位置以及超音速飞行器的热防护系统上。虽然 C/C 复合材料在 3000°C 以上仍能保持良好的结构强度，但在超高温氧化和高速气流的侵蚀下，C 基体会被快速氧化和烧蚀，这在很大程度上限制了 C/C 复合材料在先进空间系统领域的应用。此外，因为SiC基体的活性氧化，C/SiC 复合材料在氧化环境下的长期服役温度也存在颈瓶，一般不高于 1650°C。所以，近年来科研人员着力寻求可以提升 C/C 和 C/SiC 材料在超高温环境下的抗氧化、机械侵蚀性能的方法，以扩大 C/C 和 C/SiC 复合材料在航空航天领域的应用。

结合上述两类材料的优缺点，研究人员已开始探索设计新的可以满足在超高温环境下服役要求的复合材料。碳纤维是目前唯一一种在 3000°C 以上仍具有很高比强度、比模量以及较低热膨胀系数的纤维材料，同时碳纤维也容易通过缠绕、编织、针刺等方式成型为预制体。因此，与 C/C 和 C/SiC复合材料相比，含有碳纤维增强体和 UHTC 的复合材料或 C-SiC-UHTC 复合材料具有更好的抗氧化、烧蚀性能；此外，其断裂韧性、抗热震以及损伤容限也更好，所以被认为是未来在超高温环境下服役的理想候选材料。

过去10多年里出现了大量关于碳纤维增强 UHTC 基和 C-SiC-UHTC 基复合材料的研究。在材料设计方面，目前大多数研究主要集中在界面结构、预制体结构以及基体的组成、结构及分布。在材料制备方面，目前已开发出一系列将 UHTC 引入到碳纤维复合材料中的工艺。在材料性能方面，目前学者广泛关注的是这些复合材料的机械、抗氧化和烧蚀性能。

本章以国内外过去 10 余年内的研究报道为基础，对用于航空航天高温服役环境下的碳纤维增强UHTC 基和 C-SiC-UHTC 基复合材料的设计、制备及性能进行了概述。

4 大面积隔热材料

空天飞行器上使用的大面积陶瓷隔热材料主要包括陶瓷纤维刚性隔热瓦和陶瓷纤维柔性隔热毡两大类。本章对这两类大面积热防护材料进行了系统的介绍。

5 冲压发动机被动热防护多层隔热材料

高超声速飞行器具有优异性能的主要原因在于采用了革命性的动力系统。冲压发动机是高超声速飞行器研究和应用最多的动力系统，包括亚燃冲压发动机和超燃冲压发动机。冲压发动机需要在高温及超高温环境下工作，必须进行有效的热防护。热防护系统的控制能力直接影响高超声速飞行器动力系统的可靠性和飞行器性能的提高。随着飞行器向超高速、大推力、长工作时间的方向发展，高超声速飞行器动力系统对热防护系统及热防护材料提出了更高的技术要求。

6 防隔热涂层

以碳纤维为增强相的陶瓷基复合材料由于具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温、抗烧蚀、抗冲击和良好的力学性能等特点，同时克服了陶瓷材料断裂韧性低、抗冲击载荷性能和抗热震性能差等致命缺点，成为飞行器关键部位的重要防热材料。然而，碳纤维增强陶瓷基复合材料的诸多优异性能只有在惰性气氛下才能保持。面对超高声速飞行器高温、氧化以及高速气流冲刷的服役环境，碳纤维增强陶瓷基复合材料在应用中存在的一个主要问题就是高温下其抗氧化性能较差。如当空气温度达到 370°C 以上、或水蒸汽温度达到 650°C 以上、或 CO₂温度达到 750°C 以上时，碳都会出现严重的氧化；C_f/SiC 复合材料虽然比 C/C 复合材料有更好的抗氧化性能，但是，材料制备工艺决定了 C_f/SiC 复合材料中存在许多孔隙，这些孔隙会成为氧气扩散到碳纤维的通道，使得碳纤维在较低的温度下氧化；此外，在更高温度下，SiC 基体自身氧化严重，氧化产物气化，再无抗氧化能力，这都将导致材料性能下降甚至完全失效。

陶瓷隔热材料 (如刚性陶瓷隔热瓦和柔性陶瓷纤维隔热毡) 由于具有孔隙率高、容重低、隔热性好、高维形、可重复使用等优点，是目前航天飞机表面最主要的热防护材料之一，应用面积占航天飞机总热防护表面的 68%。但由于强度低、易吸水、不耐冲刷、不具有高辐射等缺点，应用于高超声速飞行器大面积的刚性隔热瓦以及柔性隔热毡在长时间的临近空间飞行和再入过程中经常出现性能急剧下降甚至失效的问题，无法保证超高速飞行器的正常安全飞行。

针对碳纤维增强陶瓷基复合材料以及陶瓷隔热瓦/毡在高温燃流环境服役条件下易氧化烧蚀失效的问题，国内外开展了许多研究工作以提高其高温使用的可靠性与稳定性。

与其它防隔热手段相比，表面涂层技术是一种通过物理、化学或其它方法，在基体表面形成一层具有一定厚度、一定强度、具有防护或其它特殊功能的涂层的工艺技术，可以将碳纤维增强陶瓷基复合材料以及陶瓷隔热瓦/毡和烧蚀环境隔离开来，利用涂层材料自身对环境的隔热防热性能提高防热陶瓷以及陶瓷隔热瓦/毡整体高温使用性能。此外，表面涂层技术有着明显的优势，如对零件外形及尺寸敏感性较低、耗时较短、制备成本较低等，而且制备的涂层既可以满足超高温下使用要求，又不会对基体自身的高温力学性能和机械性能产生较大的影响。因此，表面涂层技术已经成为目前研究最广泛，防隔热效果显著的热防护手段。根据飞行器不同部位受到的气动加热不同，不同类型的涂层已经被广泛应用在高超声速飞行器表面，如碳纤维增强陶瓷基复合材料表面的抗氧化烧蚀涂层、陶瓷防热瓦和柔性隔热毡表面的高发射率涂层等。为了有效防止飞行器高温被烧毁，飞行器防隔热涂层防护结构的理想设计应该是在其高速穿越大气层时，通过涂层烧蚀、辐射等手段降低飞行器表面的气动热流，使得到达基体内部的热流尽可能少，有效降低传入碳纤维增强陶瓷基复合材料以及隔热瓦/毡内部的热量，达到理想的防隔热效果。

本章着重评述了用于防护碳纤维增强陶瓷基复合材料的抗氧化烧蚀材料及防护隔热瓦/毡基体的高发射隔热涂层材料，并对涂层的制备工艺做了简要介绍。

7 高温热密封材料

可重复使用飞行器及高超声速飞行器在飞行或再入阶段要经历超高声速的飞行过程，由于气动载荷的作用，飞行器表面出现很大的温升，高温气流会沿组元或部端之间缝隙侵入内部，给飞行器的安全服役带来隐患。为防止表面高温气流由表及里的传递，各种部段及活动部位需要进行高温长时间热密封。

目前，已经发展出了一系列各具特色的高温密封材料和组件，包括高温粘结剂、静态密封材料和动态密封组件。其中高温胶粘剂主要用于各部件或舱段之间的组装、连接，静态密封材料主要用于机身缝隙、接口和开口部位的环境密封，动态密封组件主要用于门、舵、轴类活动部位密封。本节主要介绍这三类高温材料的研究进展和典型应用。

8 结束语

热防护系统和热防护材料是发展和保障高超声速飞行器和空天飞机在极端环境下安全工作的关键技术之一。陶瓷及陶瓷基复合材料耐高温、热化学稳定性好等优点使其成为高超声速飞行器和空天飞机的再入和动力系统等极端环境下应用最重要的热防护材料。本文首先回顾了热防护技术和热防护材料的发展历史，然后根据新型高超声速飞行器和空天飞机发展对热防护材料的挑战和需求，重点介绍了陶瓷热防护材料包括超高温陶瓷、纤维增韧超高温陶瓷基复合材料、大面积隔热材料、防隔热涂层、高温热密封材料的发展现状。

随着航天技术的不断发展，陶瓷基超高温陶瓷热防护材料未来的发展方向包括：超高温陶瓷需要重点解决脆性和抗热冲击性差的问题, 包括发展三元层状的 MAB 相超高温陶瓷和设计仿生叠层材料；纤维增韧超高温陶瓷基复合材料需要同时解决基体和纤维抗氧化的问题, 特别是发展超高温陶瓷纤维增韧超高温陶瓷复合材料；大面积隔热材料需要在进一步降低密度的同时提高强度，同时发展耐 1500°C 以上高温稳定性好的新型隔热材料；防隔热涂层材料需要解决涂层与基体相容性的同时，重点发展抗极端环境腐蚀的涂层体系；高温热密封弹性元件材料需要同时具有低弹性模量和高强度，高温胶/粘结剂需要解决室温固化/粘结和高温稳定型的问题，纤维隔热布、毡等需要解决低热导率、低密度和高温稳定性的问题。

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