热防护材料

高超声速飞行器是指飞行速度超过5马赫的飞行器，具有速度快、突防能力强、隐蔽性好、战略威慑作用大等特点，对现代军事、空间技术以及整个科学技术进步都将产生重大影响。高超声速飞行器是关系到国家安全的利器，其涉及的基础科学问题和高技术成为国际学术和工程界的研究热点。

热防护材料是保障高超声速飞行器在极端环境下安全服役的基石。飞行器在大气层内飞行时，来流通过激波压缩或粘性阻滞减速，导致大量动能转变成热能，产生超高温、高压、高焓的极端热环境。高超声速飞行器机身大面积温度高达800-2000℃，局部驻点温度超过2500℃，远远超过现有结构材料的承受极限。另外，临近空间稀薄气体效应、复杂翼身结合部位等气动热力载荷条件的不确定性，给热防护系统设计和材料研制带来极大的挑战。在极端恶劣高温环境下的热防护材料已成为事关高超声速飞行器研制成败的关键问题。然而，现有防热材料体系在高温物理化学稳定性、能量耗散效率、结构重量效率以及有效服役时间等方面都还存在诸多不足。发展新型轻质高效可靠热防护材料体系成为高超声速飞行器研制的核心任务，也是其他新型飞行器研制的共性需求。

我们研究团队致力于纳米孔防隔热一体化复合材料的设计、热响应机制、工程制备与应用研究。提出“抗氧化基体-纳米孔结构”设计思想，发展出系列低密度、耐烧蚀杂化树脂基、硅基、碳基复合材料，实现了防热材料50%以上的减重，突破了树脂基复合材料长时耐氧化、高温抗剪切难题，成功应用于新一代航天型号，受到航天单位的广泛赞誉。

热防护材料研究的共性难点在于非线性热-化学耦合问题，其本质是材料内部的复杂裂解-氧化反应与非稳态传质传热过程。我们从化学工程反应-传质角度出发，开展纳米孔树脂基复合材料的高温下的微结构演变规律、抗氧化机制、裂解反应动力学、高温传热机制、高温热响应机制等相关基础研究，探寻边界层、烧蚀层、碳化层、原始层内部复杂的化学反应和传质传热行为，建立有效的材料的分层烧蚀性能及高温反应-传热性能预报系统，为材料防热层的结构设计提供详实参考数据，为材料方案选型和应用提供基础理论依据。

此外，课题组聚焦模拟和必要的实验手段，在多尺度范围内揭示热防护材料结构、性能与制备的关系，并对极端热环境下的材料内部的化学反应、传热传质、力热耦合特性进行模拟，构建热防护材料的设计与应用的理论基础。

由于热防护材料微结构及其演化在空间和时间分布范围很大，需要采用不同尺度下的模拟以获得材料性能的完整表征和正确预测。通过采用机器学习、量化计算、分子模拟、介观模拟以及细观模拟等方法，对材料微观/介观/细观尺度下存在的化学反应、传质传热和力热耦合行为进行研究，揭示材料制备和应用过程中微观/介观/细观层次的结构及演变过程和机理，获得材料在宏观上体现的性能，为热防护材料的设计制备与应用提供理论基础。