摘要
航天复合材料的性能与应用水平是衡量航天型号先进性与可靠性的重要标志，是支撑航天型号发展的关键材料，决定型号性能与成败。本文总结了近年来在热结构、防热、热透波、隔热以及结构复合材料领域的重要研究进展，提出极端环境服役新材料、可重复使用防隔热材料、第三代结构复合材料以及复合材料构件低成本快速制造等是航天复合材料未来发展的重要方向。
航天复合材料是航天型号的物质基础与技术先导，其性能与质量水平是衡量航天型号先进性与可靠性的重要标志。航天复合材料涵盖热结构、防热、透波、隔热、结构等多个材料体系，在极端环境下服役，是支撑航天型号发展的关键材料，决定型号性能与成败。当前，世界范围内高超声速飞行器、空天往返飞行器、空间探测器等各类航天器迅猛发展，航天复合材料是支撑上述航天器研制的关键材料，不可替代，对航天器综合性能与功能实现具有举足轻重的作
目前，我国航天复合材料基本实现了“弹、箭、星、船、器、站”的系统配套、自主保障和体系建成，有效支撑了各类航天器的从无到有和更新换代，并逐步形成了与极端服役环境及装备特殊要求密切相关的自身特色。主要体现在：（1）先进性，苛刻的设计要求需要挖掘材料力学、物理或化学的极限性能；（2）前沿性，极端使用环境下材料物态特性变化及其使用性能涉及多个学科和交叉学科的前沿；（3）可靠性，材料安全系数小，失效机制复杂，“差之毫厘，失之千里”；（4）自主性，材料支撑航天强国建设，要求实现技术自主、产业自主、体系自主；（5）经济性，航天规模越来越大，涉及领域越来越广，对材料经济可承受方面的要求逐渐提高；（6）带动性，带动化工、冶金、能源等基础工业的进步以及物理、力学、工程热物理等学科的发展。
本文综述了近年来热结构、防热、热透波、隔热等功能复合材料以及树脂基结构复合材料的主要研究进展，以期总结现阶段我国航天复合材料的发展现状，并为未来本领域的发展提供借鉴。
热结构是指不依赖金属结构承力，同时起到气动维形、防热承载等功能的复合材料结构，主要包括气动壳体、端头/前缘、舵/翼、燃烧室等，一般使用温度达到1 000 ℃以上，主应力水平达到100 MPa量级以上，服役环境为复杂的热/力/化学耦合环
图1 热结构增强体形式与主要材料种类
Fig.1 Thermal structural materials and main types of reinforcement
近年来，我国在陶瓷基热结构材料方面取得了显著的进展，先后突破了C/SiC、SiC/SiC、C/SiBCN等系列热结构材料的设计与制备关键技术，研制出系列大尺寸热结构构件并获得型号应用。面向未来装备发展需求，热结构材料的发展方向是实现大型热结构复合材料的低成本快速制备；发展超高温（≥2 500 ℃）热结构复合材料，开发新成分、新体系热结构材料，发展新型热结构材料复合和结构制造的方法与工艺；进一步研究热结构材料与极端环境的相互作用，确保热结构材料应用的可靠性和先进性。
树脂基烧蚀防热材料是以有机聚合物为基体，通过分解、融化、升华等一系列化学和物理变化牺牲材料自身的质量带走大量气动热从而达到防热目的，具有高可靠、高性价比、装配工艺简便的特点，至今仍然被认为是最有效、最可靠、最成熟和最经济的一种热防护方式，如
图2 烧蚀材料烧蚀过程中复杂的物理和化学变
Fig.2 Schematic of physical and chemical changes of ablative material during heatin
近年来，我国在探月工程以及新型航天飞行器的牵引下开发了中低密度石英/酚醛、玻璃/酚醛体系防热材料。中低密度防热材料主要特点是在酚醛树脂基体中添加玻璃微球、陶瓷粉体等轻质功能填料，通过调整增强体和树脂基体配方，获得满足不同防热要求的防热材料。空心小球和微孔的引入在降低材料密度的同时，能够显著降低材料的热导率。同传统致密型玻璃/酚醛、石英/酚醛防热复合材料相比，材料密度最大可降低43%左右，室温热导率降为传统防热材料的50%左右，成功应用于月球轨道返回器关键部位的热防护。此外，以多孔杂化酚醛树脂为基体，通过改变增强体纤维组织结构，开发了密度在0.25~1.3 g/c
低烧蚀防热材料一般用于飞行器端头、前缘、发动机燃烧室等部位。美国突破了难熔金属掺杂C/C复合材料的制备技术，形成了C/Zr-Si-C、C/ZrC-C、C/Zr-Hf-C等系列低烧蚀碳基复合材料，通过了2 691 ℃/125 s条件试验考核，燃烧室工程尺寸构件经过了多次2 400 ℃/30 s的点火试
针对高超声速飞行器端头、前缘热环境苛刻，但力学性能要求相对偏低的应用特点，国内在碳纤维及超高温陶瓷组元高温氧化机制研究的基础上，采用陶瓷粉体浸渗、前驱体裂解等手段，在碳基体中引入难溶碳化物、硼化物，产生协同抗氧化作用，研制的低烧蚀的C/C复合材料在2 200 ℃以上表现出良好的抗氧化特性，“吸氧+阻氧”是主要的热防护机制。为进一步提高陶瓷组元含量，还开展了整体织物增强超高温陶瓷基复合材料研究工作，通过液相浸渍热压、抽滤成型热压、PIP浸渍裂解等方法实现了连续纤维和短切纤维增强锆基、硅基复合材料制备与结构控制，典型样件并通过了地面试验考核，表现出较高的耐温等级和抗烧蚀性能，如
（a） 加热曲线
（b） 实验中材料
图3 低烧蚀防热材料风洞试验
Fig.3 Results of minimal-ablative material in wind tunnel
热透波材料主要用于飞行器天线罩（窗），早期高温透波材料以陶瓷为主，包括氧化铝、微晶玻璃、石英陶瓷等，但由于陶瓷材料无法满足极端热力环境下高可靠使用要求，发展了以连续纤维编织体为增强体，氧化硅为基体的第二代热透波材料。美国发展最为成熟的是SiO2f/SiO2复合材料，而俄罗斯的精确制导导弹主要使用石英纤维增强磷酸盐材料。石英纤维增强二氧化硅基复合材料介电常数在2.80~3.30，介电损耗可控制在1
我国在石英/石英、氮化硅纤维增强氮化物等复合材料，石英、氮化硅等陶瓷材料领域也取得了很大进展。特别是瞄准未来高温长时热透波需求，突破了连续氮化硅纤维工程化制备关键技术，实现了氮化硅纤维的批量生产，并开展了基于连续氮化硅纤维的增强陶瓷复合材料设计、制备及透波性能等研究工作，如
（a） 纤维样品
（b） 拉伸强度
图4 氮化硅纤维样品图及拉伸强度
Fig.4 Picture and tensile strength of silicon nitride fiber
由于高超声速飞行器在稀薄大气层中长时高速飞行，隔热材料是阻止气动热向飞行器内部传递的最重要屏障，因此具备耐高温、轻质、低热导率特性的高效隔热材料愈发重要。航天飞机是最早大量使用高效隔热材料的航天器，其迎风面和背风面分别采用了专门研发的隔热瓦和隔热毡，其中隔热瓦形成了LI（Lockheed Insulation）、FRCI（Fibrous Refractory Insulation）、AETB（Alumina Enhanced Thermal Barrier）、BRI（Boeing Reusable Insulation）等系列，最高使用温度达到1 500 ℃；隔热毡形成了FRSI（Flexible Reusable Surface Insulation）、AFRSI（Advanced Flexible Reusable Surface Insulation）和CRI（Conformal Reusable Insulation）等系列，最高使用温度达到1 200 ℃，成为第一代高效隔热材料的代表。目前仍是美国各类高超声速飞行器、可重复使用运载器以及飞船等航天器热防护系统的重要候选材料，如X-37B、Dreamchaser、Orion飞船
经过近十年的快速发展，国内在飞行器高效隔热材料领域也形成了隔热瓦、隔热毡和纳米隔热材料三大体系。隔热瓦形成了1 200和1 500 ℃两种系列，通过了型号飞行试验考核，充分验证了材料的可靠性。隔热毡形成了600和1 000 ℃两种系列，在运载火箭等型号上得到广泛应用。在纳米多孔隔热材料领域，国内在SiO2、Al2O3、Al2O3-SiO2及C等纳米隔热材料制备技术、材料性能及应用等方面已到达国际先进水平，如
（a） 陶瓷瓦
（b） 纳米隔热材料
图5 我国研制的高效隔热材料构件照片
Fig.5 Images of high-performance thermal insulation materials
结构复合材料（即树脂基结构复合材料）具有高比强度、高比模量、可设计性强、抗震性能好、制造周期短等特点，是实现航天器和武器装备结构轻量化的主要途径之一，其用量已经成为衡量结构先进性的重要指
目前，我国第一代、第二代结构复合材料基本满足了航天型号需求，实现了航天装备用碳纤维及其复合材料的自主保障。结构复合材料形成了环氧、双马树脂基体为代表的主干材料体系，突破了耐500 ℃聚酰亚胺结构设计及工程应用关键技术，实现了“低温大用、高温小用”的稳步应用。以高强高模高韧为特征的第三代结构复合材料国际国内正在同步研制发展，面向未来需求，需重点突破第三代复合材料技术，为新型航天装备材料升级换代奠定基础，如
图6 结构复合材料的发展
Fig.6 Development of structural composite materials
我国已经提出建设航天强国的战略目标，高超声速飞行器、空天往返飞行器、空间探测等航天器研制与航天工程实施对复合材料提出了新要求，为航天复合材料的发展提供了新的契机和动力。首先，完善提高现有复合材料体系，发展以用于更高服役环境、重复使用等为代表的新一代复合材料，大力发展第三代树脂基复合材料，提高复合材料使用效率；其次，提升航天复合材料的自动化制造能力，实现高可靠、低成本、快速制造，促进材料体系与制造体系的融合发展；最后，统筹航天复合材料创新链、供应链、产业链和价值链，做好四个链条的构建与协同，实现航天复合材料的发展进步，支撑航天强国建设。
参考文献
李仲平. 防热复合材料发展与展望［J］.复合材料学报， 2011， 28（2）： 1-9. [百度学术]
LI Z P.Major advancement and development trends of TPS composites［J］.Acta Materiae Compositae Sinica，2011，28（2）： 1-9. [百度学术]
CLELAND J， IANNETTI F. Thermal protection system of space shuttle ［R］. NASA Contractor Report 4227，1989. [百度学术]
GLASS D E.Ceramic matrix composite （CMC） thermal protection systems （TPS） and hot structures for hypersonic vehicles ［R］. AIAA， 2008-2682. [百度学术]
KRENKEL W.Ceramic matrix composites：fiber reinforced ceramics and their applications［D］.John Wiley & Sons， 2021. [百度学术]
BANSAL N P，LAMON J.Ceramic matric composite materials： modeling and technology［D］.John Wiley & Sons， Inc.，2015. [百度学术]
BINNER J， PORTER M， BAKER B， et al. Selection， processing， properties and applications of ultra-high temperature ceramic matrix composites，UHTCMCs-a review ［J］.International Materials Reviews， 2020， 65（7）： 389-444. [百度学术]
RUBIO V， RAMANUJAM P，BINNER J. Ultra-high temperature ceramic composite ［J］.Advances in Applied Ceramics， 2018，117（51）： 556-561. [百度学术]
BEYER S， SCHMIDT S， PERES P， BOUCHEZ M. Advanced ceramic matrix composite materials for current and future propulsion system applications ［R］. AIAA 2005-3644. [百度学术]
BALAT-PICHELIN M， CHARPENTIER L，PANERAI F，et al. Passive/active oxidation transition for CMC structural materials designed for the IXV vehicle re-entry phase ［J］. Journal of the European Ceramic Society， 2015， 35： 487-502. [百度学术]
ANGELINI R，DENARO A.IXV re-entry demonstrator： Mission overview， system challenges and flight reward ［J］. Acta Astronautica， 2016， 124： 18-30. [百度学术]
OPEKA M M， TALMY I G， ZAYKOSKI J A. Oxidation-based materials selection for 2000°C+ hypersonic aerosurfaces： theoretical considerations and historical experience ［J］. Journal of Materials Science， 2004， 39（19）：5887-5904. [百度学术]
冯志海，师建军，孔磊，等.航天飞行器热防护系统低密度烧蚀防热材料研究进展［J］.材料工程，2020，48（8）：14-24. [百度学术]
FENG Z H，SHI J J， KONG L，et al. Research progress in low-density ablative materials for thermal protection system of aerospace flight vehicles ［J］.Journal of Materials Engineering， 2020， 48（8）： 14-24. [百度学术]
NATALI M， KENNY J M， TORRE L. Science and technology of polymeric ablative materials for thermal protection systems and propulsion devices： A review ［J］. Progress in Materials Science， 2016， 84： 192-275. [百度学术]
MILLER J E， CHRISTIANSEN E L， DAVIS B A， et al. Ballistic performance model of crater formation in monolithic， porous thermal protection systems ［J］. Procedia Engineering， 2015， 103： 398-404. [百度学术]
CROUCH R K，WALBERG G D.An investigation of ablation behavior of Avcoat 5026-39/M over a wide range of thermal environments［R］.Washington，D.C.：Langley Research Center，1969. [百度学术]
STELTZNER A D， MIGUEL SAN MARTIN A， RIVELLINI T P， et al. Mars science laboratory entry， descent， and landing system development challenges［J］. Journal of Spacecraft and Rockets， 2014， 51（4）： 994-1003. [百度学术]
TRAN H， JOHNSON C， RASKY D，HUI F. Phenolic impregnated carbon ablators （PICA） for discovery class missions ［R］.AIAA96-1911. [百度学术]
董彦芝，刘峰，杨昌昊，等. 探月工程三期月地高速再入返回飞行器防热系统设计与验证［J］. 中国科学：技术科学， 2015， 45（2）： 151-159. [百度学术]
DONG Y Z，LIU F，YANG C H， et al.Design and verification of the TPS of the circumlunar free return and reentry flight vehicle for the 3rd phase of Chinese lunar exploration program［J］.Science China： Technological Science，2015，45（2）： 151-159. [百度学术]
叶培建，杨孟飞，彭兢，等.中国深空探测进入/再入返回技术的发展现状和展望［J］.中国科学：技术科学，2015（3）：229-238. [百度学术]
YE P J， YANG M F， PENG J， et al. Review and prospect of atmospheric entry and earth reentry technology of China deep space exploration［J］. Science China： Technological Science， 2015， （3）： 229-238. [百度学术]
王筠，杨云华，冯志海. 深空探测用热防护材料的现状及发展方向［J］. 宇航材料工艺， 2013， 43（5）： 1-10. [百度学术]
WANG Y，YANG Y H，FENG Z H.Current status and further trend of thermal protection materials for deep space exploration ［J］.Aerospace Materials & Technology，2013，43（5）： 1-10. [百度学术]
PAULl A， VENUGOPAL S， BINNER J， et al. UHTC-carbon fibre composites： preparation， oxyacetylene torch testing and characterisation［J］. Journal of the Europen Ceramic Society， 2013， 33（2）： 423-432. [百度学术]
OHLHORST C W，GLASS D E，BRUCE W E，et al. Development of X-43A Mach10 leading edges［C］.IAC-05-D2.5.06. [百度学术]
SMITH R W， SIKORA J G， LINDELL M C. Test and analysis of a hyper-X carbon-carbon leading edge chine［R］. NASA/TM-2005-213765. [百度学术]
GLASS D E， DIRLING R， CROOP H， et al. Materials development for hypersonic flight vehicles［R］. AIAA 2006-8122. [百度学术]
李仲平. 热透波机理与热透波材料［D］.北京：中国宇航出版社，2013. [百度学术]
LI Z P.High-temperature wave-transparent mechanism and materials［D］.Beijing：China Aerospace Publishing House， 2013. [百度学术]
张大海，黎义，高文，等.高温天线罩材料研究进展［J］.宇航材料工艺，2001，31（6）：1-3. [百度学术]
ZHANG D H， LI Y， GAO W，et al. Development and application of high temperature radome materials［J］. Aerospace Materials & Technology， 2001， 31（6）：1-3. [百度学术]
蔡德龙，陈斐，何凤梅，等.高温透波陶瓷材料研究进展［J］.现代技术陶瓷，2019， 40（1/2）：1-120. [百度学术]
CAI D L， CHEN F， HE F M， et al. Recent progress and prospestion on high-temperature wave-transparent ceramic materials［J］.Advanced Ceramics， 2019，40（1/2）：1-120. [百度学术]
李俊宁，胡子君，孙陈诚，等.高超声速飞行器隔热材料技术研究进展［J］. 宇航材料工艺，2011， 41（6）： 10-13. [百度学术]
LI J N， HU Z J， SUN C C，et al. Recent progress of thermal insulation materials for hypersonic vehicles［J］. Aerospace Materials & Technology， 2011，41（6）：10-13. [百度学术]
SIVOLELLA D. To orbit and back again： how the space shuttle flew in space［D］. Springer，2014. [百度学术]
FROSCH R A， LEISER D B， GOLDSTEIN H E，et al. Fibrous refractory composite insulation［P］.US4148962. [百度学术]
BARNEY A，WHITTINGTON C A，EILERTSON B， et al.Thermal insulation conformal blanket［P］.US6652950B2. [百度学术]
AEGERTER M A， LEVENTIS N， KOEBEL M M. Aerogels Handbook［D］.Springer， 2011. [百度学术]
KOEBEL M M， RIGACCI A， ACHARD P. Aerogel-based thermal superinsulation： an overview［J］.Journal of Sol-Gel Science and Technology， 2012， 63：315-339. [百度学术]
WIENER M，REICHENAUER G，BRAXMEIER S， et al. Carbon aerogel-based high-temperature thermal insulation［J］.International Journal of Thermophysics，2009，30：1372-1385. [百度学术]
NASA.Cutting-Edge Heat Shield Installed on NASA’s Parker Solar Probe［EB/OL］.https：//www.nasa.gov/feature/goddard/2018/cutting-edge-heat-shield-installed-on-nasa-s-parker-solar-probe，2018-07-05. [百度学术]
杜善义.先进复合材料与航空航天［J］.复合材料学报， 2007， 24（1）：1-12. [百度学术]
DU S Y.Advanced composite materials and aerospace engineering［J］.Acta Materiae Compositae Sinica，2007，24（1）： 1-12. [百度学术]
陈祥宝，张宝艳，邢丽英. 先进树脂基复合材料技术发展及应用现状［J］. 中国材料进展， 2009， 28（6）：2-11. [百度学术]
Chen X B， ZHANG B Y， XING L Y. Application and development of advanced polymer matrix composites［J］. Materials China. 2009， 28（6）：2-11. [百度学术]
