金属固体推进剂高温稳定性的抗氧化防护措施

航天领域对推进剂的要求，不仅在于其能量释放的高效性，更在于其在严苛环境下的可靠性。金属固体推进剂的应用背景中，面对极端温度的冲击，其氧化问题始终无法被忽视。温度一旦达到极高，推进剂表面的氧化反应便不可避免，随之而来的是推进剂的性能劣化，甚至潜在的爆炸风险。因此，如何提升其高温稳定性，通过有效的抗氧化防护措施减少这种氧化反应，成为确保航天器安全与性能的关键。

1.金属固体推进剂高温氧化现象解析

金属固体推进剂的高温氧化，一直是化学反应速率、燃烧率和系统安全性的重要影响因素。由于固体推进剂在高温环境应用，金属固体表面与氧气的反应生成金属氧化物，其将会降低推进剂的质量、稳定性和在点火或作动时无法维持期望的性能。在高温条件下的氧化反应就是针 对破坏金属材料的完整性，导致推进剂燃烧率下降甚至引起事故。解决氧化问题就成为在极端条件下金属固体推进剂性能的主要矛盾所在[1]。

2.当前防护技术面临的问题

2.1 极端温度条件下防护层失效问题

由于防护涂层在极端温度条件下，往往没有能够保持长周期稳定。高温作用引起材料热胀冷缩，导致防护涂层和基体之间容易产生龟裂或者脱层现象。防护涂层耐高温性能、黏结力和弹性平衡往往没有优化到位，防护涂层在服役过程中过早脱落失效，不能对部件形成完整的氧化保护。因此，怎样设计满足极端温度条件下应变和应力性能的防护涂层是目前亟待解决的技术难题[2]。

2.2 界面相容性对防护效果的影响

防护层与基体金属的界面相容性直接关系着防护层的性能。再好的材料，如若不能匹配，也不会真正发挥其性能。基体金属与防护材料的热膨胀系数的不同、化学反应的不可控等都会引起防护层与基体在实际工作中出现脱落或开裂。界面不好，不仅关系到其氧化防护，对推进剂的热稳定也有致死作用[3]。因此，提高其界面相容性，寻找理想的匹配材料是提高整体防护效果的关键。

3 有效抗氧化防护体系的构建路径

3.1 复合阻氧屏障的材料选择

金属固体推进剂的氧化屏蔽防腐系统，材料的选择至关重要。在现有的研究基础上，单一的材料难以综合考虑各项指标和需求，复合材料的应用就成为了突破的途径。复合阻氧屏蔽的原理主要是利用综合性能不同的材料组分配比，各取所需形成多层、多层之间的互补的屏蔽系统，通常氧化铝、硅氧化物以及碳基材料等可以作为防腐层的主要选择，但由于单一材料均会在超高温度时出现不耐磨或不稳定的缺陷[4]。此时，如果通过复合材料的搭配，使多层发生作用形成多层氧化屏蔽，就能够大大提高金属表面与氧气接触时的防腐寿命。材料选择另一重要的因素即与基体材料之间的热膨胀系数，以防止由于温度的升降而导致严重的热应力集中。正确的搭配可以使氧化腐蚀效果有显著提升，保证腐蚀层在高温条件下长时间的稳定运行，能够对整体金属固体推进剂性能的发挥提供更加稳定的保障。在复合阻氧屏障的材料选择中，除了考虑材料的抗氧化性能和热膨胀系数外，还需要关注其耐磨性、热稳定性以及与金属基体的粘结性能。因此，复合材料的设计可以通过合理选择材料的组分比例，形成多层次的氧化屏障，每一层材料在不同温度条件下发挥不同的作用，以有效防止氧化腐蚀并提升屏障的耐久性。

3.2 微观结构调控对热稳定性的提升

调整和控制其微观结构是提高金属固体推进剂高温稳定性的又一技术途径，也是一向来主要影响金属固态推进剂材料的热稳定性。材料的微观结构，例如晶粒尺寸和形貌、孔的大小和分布以及孔内空隙或夹杂等，都会影响材料高温下的物理特性和服役行为。在抗氧化防护结构设计中，可以通过改善材料的微观结构从而提高材料高温下的稳定性，如应用纳米材料和微孔结构能提升材料的比表面积从而提高材料抗氧化侵蚀的能力，微观结构的热载作用可以避免材料由于温差而导致的开裂或剥离现象。如今，由于表面涂层能力的提高，能够实现对金属母材表面微观结构的有效、微细化控制，得到具有均一结构保护层[5]，不仅增强了保护层强度，还避免了结构不一致导致的保护失效等现象。微观结构调控还能够通过优化材料的孔隙率和界面结合力，减少氧气和热量的渗透，提高抗热震性和抗氧化性。

3.3 防护层制备工艺的关键参数

防护层制备工艺是决定防护体系实际防护效果的最重要的参数之一，包含许多参数且互相制约。首先，防护层制备工艺中涂层厚度、均匀度及黏接性决定了防护层对氧气的隔离保护作用及防护层的耐高温性，涂层如果过薄则无法有效隔离氧气与金属基材的相互作用；如果涂层过厚则可能会造成材料自身体积的热膨胀不协调从而造成裂纹脱落。因此涂层厚度的控制、防护层内部孔隙率、微观组织的形成也需要精细控制。另外，防护层制备工艺本身也包含许多重要参数如制备工艺的温度、时间等[6]，防护层制备工艺中，材料制备的热处理或是高能量沉积会在一定程度上改变材料结晶状态及晶粒大小，这些都将影响防护层的耐高温性。通过工艺参数控制使材料在加工过程中形成一种坚韧致密的防护层。除此之外，防护层与金属基体的黏合性也是防护层制备工艺的重要参数，通过配方以及退火处理可以促使防护层与金属基体之间形成紧密的化学连接，防止热应力产生脱落裂纹。

结论：

在高温稳定性方面，一方面是我们作为推动技术创新的严峻挑战，也是最终为了到达更远大航天发展的基础保证。对抗氧化防护层的研究，更加科学、合理的选择与运用材料及其加工方式，从而不断提升推进剂的性能表现，最终实现推进剂新的更大的性能要求。新型的抗氧化技术一定会包含更为精细的微观构造和更为有效和积极的防护层。以更加坚实的态度去探索未来的远大航天征程。

参考文献：

[1]王京京,李萌萌,刘娜,等.金属复合氧化物基燃烧催化剂在固体推进剂中的研究进展[J].浙江化工,2024,55(5):28-35.

[2] 王泽山, 庞爱民, 何金选, 等. 含能化合物在固体推进剂中的应用与发展[J]. 固体火箭技术,2025,48(1):1-8.

[3]吴秋,任全彬.基于合金材料的固体推进剂燃速增速方法[J].火炸药学报,2025,48(1):88-94.

[4]郭涛,吕洋,王宁,等.固体推进剂和矩形试件的磁性能试验研究[J].导弹与航天运载技术(中英文),2023(005):000.

[5] 陆泽涛, 杨帆致, 夏敏, 等. 超级铝热剂在固体推进剂中的应用研究进展[J]. 固体火箭技术,2024,47(4):435-445.

[6] 李洋, 夏智勋, 马立坤, 等. 电控固体推进剂的点火, 燃烧及熄灭特性研究进展[J]. 含能材料,2023,31(9):931-948.