在气动热振动耦合环境下，对不同结构的聚合物基热防护涂层的磨损性能和抗振动性能进行的研究

《Progress in Organic Coatings》：Investigation into the ablation and anti-vibration properties of polymer-based thermal protection coatings with different structures under an aerothermal-vibration coupling environment

　　

摘要

设计符合复杂形状的热防护系统（TPS），并结合地面测试，对于高超音速飞行器的发展非常重要。本文研究了三种不同的烧蚀热防护涂层（ATPCs）结构（即连续板结构、拼接结构和阶梯结构），这些涂层使用了中空玻璃微球（HGM）和云母粉（MP）作为增强填料，以及羟基端硅氧烷寡聚合物桥接环氧树脂（PSG）作为基体。本文提供了完整的可重复制备参数和原材料规格。通过自建的空气热-振动耦合试验系统模拟超音速气流和随机飞行振动，研究了这些涂层的烧蚀行为和抗振动性能。板结构和拼接结构涂层的表面温度呈现典型的抛物线分布，最高表面温度分别为831.4°C和837.1°C，最高背面温度分别为255.5°C和284.0°C。阶梯结构上不同涂层厚度区域的表面温度差异显著，阶梯区域的峰值温度达到966.1°C，而背面的最高温度仅为380.0°C。经过155秒的耦合测试后，三种涂层均未出现剥落、分层或贯穿式裂纹，表明其具有良好的烧蚀和抗振动性能。硅氧烷增强的PSG网络、云母陶瓷增强材料以及HGM迷宫式隔热层的协同效应显著提升了涂层的多尺度耦合载荷抵抗能力。本研究为开发适用于具有复杂空气动力学形状的飞机用的ATPCs提供了参考。

引言

高超音速飞行器在飞行过程中，可能会遇到高温、高压以及由空气动力加热效应引起的热机械振动耦合等恶劣环境[1]、[2]、[3]。这些复杂的综合载荷会显著降低支撑结构的强度，并大大增加飞行器的安全故障风险[4]、[5]、[6]。烧蚀热防护涂层（ATPCs）通过材料的热解吸热反应有效地阻止了高温向飞行器内部的传导[7]、[8]、[9]。基于树脂的ATPCs因其高效的烧蚀性能、低成本以及适应复杂曲面结构的能力而受到关注。

双酚A环氧树脂（DGEBA）因其易于获取的原材料、简单的固化条件以及较高的残余碳含量而成为制备ATPCs的潜在基体材料[10]、[11]、[12]。然而，其较差的烧蚀抗性和较低的韧性会导致在热应力作用下容易开裂，严重限制了其在高温环境下的应用[13]、[14]。通过掺入不同类型和尺寸的无机颗粒，利用协同的隔热和增强机制，可以有效改善DGEBA的韧性、热稳定性和残余碳含量，从而制备出高性能的有机热防护涂层[15]、[16]。

为了评估ATPCs在高超音速飞行条件下的服役可靠性，需要具备能够模拟空气热和振动载荷的地面测试设备。主流的单个热测试设备包括氧乙炔火焰加热设备、石英灯红外辐射阵列、电弧喷射器和等离子体风洞，而独立的振动台通常用于单机械振动测试。每种测试方法的优点和局限性总结如下：氧乙炔火焰和石英灯辐射加热成本低且操作简单，但氧乙炔火焰的气流速度远低于高超音速飞行器表面的超音速气流速度，静态辐射加热无法模拟飞行过程中的强空气动力剪切力[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。电弧喷射器和等离子体风洞能够生成接近实际飞行条件的高焓超音速高温气流，但它们仅施加单一的热载荷而不引入飞行振动[26]、[27]、[28]、[29]。传统的独立随机振动测试仅施加机械振动而不匹配高温空气热载荷，无法再现实际飞行中TPS的热应力损伤模式[30]、[31]、[32]。目前大多数热-振动耦合测试采用静态辐射加热作为高温源，但其加热能力有限，无法模拟飞行器表面的瞬态温度上升和超音速剪切流，导致测试结果与实际服役性能之间存在明显差异[33]。

除了极端的气动力加热环境外，高超音速飞行器还受到发动机激励和空气动力脉动产生的强烈宽带随机振动环境的影响[30]。在长期的热机械振动耦合环境下，飞行器各部件之间的螺栓连接可能会松动，热防护材料可能会开裂、剥落或分层，从而显著增加飞行器的安全风险[31]。因此，在设计阶段对TPS进行空气热-振动耦合环境下的测试对于高超音速飞行器的安全结构设计至关重要。

高超音速飞行器的空气动力学形状设计非常复杂，不同组装部件的热防护要求也存在显著差异。在组件组装过程中，间隙和阶梯几何结构是不可避免的。在高马赫数飞行条件下，这些不连续结构会导致局部空气动力热流增强，从而增加热防护涂层的烧蚀失效风险。因此，除了在复杂耦合环境下对均匀平面涂层材料进行地面测试外，还需要对特殊组装几何结构（如拼接间隙、厚度阶梯）进行实验研究。本文采用硅氧烷桥接环氧PSG作为连续基体，中空玻璃微球（HGM）和片状云母粉（MP）作为双重增强隔热填料。在不锈钢基底上通过掩模辅助喷涂法制备了三种典型结构的ATPCs（连续平板、交叉拼接间隙、厚度阶梯），并提供了全面的定量制备参数。在等离子体风洞-空气热-振动耦合环境下，全面研究了这些ATPCs的烧蚀行为和抗振动特性[34]、[35]，并基于微观和宏观特性数据讨论了PSG-HGM-MP复合涂层的多尺度协同抗烧蚀和抗振动机制。

章节摘录

材料

PSG（羟基端硅氧烷寡聚合物桥接环氧树脂）由天津新纪元科技有限公司提供。直径约为10–100 μm的云母粉（MP）和中空玻璃微球（HGM）购自阿尔法艾莎化学公司。聚丙烯氧化物Jeffamine EC-301固化剂和二甲苯溶剂由北京澜艺化工产品有限公司购买。所有原材料的详细规格参数列于表1中。

涂层浆料制备

各组分的质量比

原始ATPCs的微观结构和元素分布

ATPCs的表面和截面SEM图像分别显示在图2(a)和(b)中。涂层表面光滑致密，没有任何明显的孔洞、裂纹或其他缺陷。MP和HGM在基体中均匀分布，表明这两种填料与硅氧烷改性的聚合物基体具有良好的相容性。图2(c)和(d)的插图中展示了棕色-黄色虚线框区域的EDS分析结果。

结论

通过掩模辅助喷涂法制备了三种结构不同的三元PSG-HGM-MP烧蚀热防护涂层（ATPCs），并提供了完整的可重复制备参数和原材料规格。使用等离子体风洞-随机振动耦合试验系统研究了这些涂层的烧蚀和抗振动性能，该系统模拟了高超音速飞行中的空气热-振动载荷。由于其多阶段吸热热解特性

CRediT作者贡献声明

何达龙：研究、资金获取、概念构思。刘胤：方法论、数据整理。朱星颖：验证、项目管理。张荣国：撰写初稿、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。

何达龙|刘胤|朱星颖|张荣国

中国空气动力研究院，北京，100074，中国