高溫熱防護：高超聲速飛行器的守護神

「高超聲速飛行器最大的挑戰來自於『熱』，以及由熱帶來的氣動、結構和推進等系統的一系列問題。」哈爾濱工業大學教授孟松鶴告訴《中國科學報》記者，要想實現近空間高超聲速遠程機動飛行，首先必須要克服飛行過程中產生的極端熱載荷，同時為了提高結構效率對「減重」提出了更為苛刻的要求。因此，耐高溫抗氧化材料、輕質熱防護與熱結構、高效熱管理技術等成為高超聲速飛行能否走向現實的決定性要素。

在國家自然科學基金委重大研究計劃「近空間飛行器的關鍵基礎科學問題」的九年持續支持下，高溫熱防護與輕質結構成為四大核心科學問題之一，項目承擔單位取得了多項基礎性、創新性研究成果，進一步揭示了材料超高溫響應機理與失效機制，顯著提高了材料耐環境與強韌化能力，發展了系統的測試與表徵技術，提出了系列熱防護與熱管理的新方法，為國家高超聲速熱防護與輕質結構設計提供了有力的支撐，部分結果直接應用於國家重大需求的項目。

在多個培育項目和集成項目支持下，研究人員系統發展和完善了超高溫力學性能測試、熱力氧耦合性能測試、多參量熱衝擊性能表徵方法，拓展了高溫數字圖像相關、光柵應變計以及光纖光柵感測器的測試能力，達到了國際公開報道的最高水平，直接服務國家重大需求。尤其是提出了創新的「主動成像」光學測量系統，首次實現氧化表面形貌和應力動態測量，並推廣應用於多個工程部門。

研究人員發展了防熱複合材料的多尺度分析方法，同時引入不確定性，發展了熱防護系統的參數靈敏度分析方法及模型確認和驗證方法，利用模糊數學手段建立了綜合效能評價方法，並將之應用於實際工程分析與設計中，顯著提高了預報精度與置信度。

相關項目深入認識了超高溫防熱材料的燒蝕/氧化/催化/輻射耦合行為，揭示了材料表面響應溫度躍遷或突變的機制。研究人員還創新性地通過仿生設計陶瓷表面結構，使陶瓷表面熱阻增加了近萬倍，同時為傳統研究方法提供了新思想，即通過對材料表面的微結構設計來獲得所需的整體性能。研究成果發表在《物理評論快報》上，英國《新科學家》雜誌、德國《焦點》周刊等予以報道。

此外，研究人員積極探索了熱防護、熱管理與輕質化的新概念、新材料和新方法。如利用光子晶體的光學特性調控熱輻射，設計並製備了光子晶體熱防護塗層；基於「壁虎腳仿生」原理，將碳納米管均勻地接枝到超薄鋁合金內襯表面，複合材料結構界面層強度提高了28%；突破紡絲工藝實現了高定向、寬平面結構的高導熱瀝青纖維的製備，石墨化連續長絲纖維熱導率超過600W/mK，達到美國同類產品水平，以此為基礎研製的高導熱C/C複合材料為高溫熱管理提供了有效的技術途徑。（陳思）

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