“结构化空气”TPS保护复合结构

航空航天和国防市场的技术创新正在重新定义我们对移动性的理解。从历史上看，政府机构和大型商业组织（如美国宇航局、波音公司、空中客车公司、美国国防部）在大型新车上投入了大量资金，而高昂的制造成本阻止了规模较小的私有化公司进入该行业。然而，随着SpaceX在2008年发射第一枚火箭，潮流开始从一个只有少数参与者控制的市场转变为一个拥有无数颠覆者的市场。这种转变继续推动航天器和电动飞机的创新，使低成本技术与日益复杂的技术相结合。

其中一项创新包括Blueshift（美国马萨诸塞州斯宾塞）正在开发的技术。Blueshift 成立于 2013 年，是一家深度技术材料科学公司，于 2020 年推出了其首款商业产品：基于气凝胶的热保护系统 （TPS），由 85% 的空气和 15% 的纯聚酰亚胺组成。TPS 可以针对各种热事件（例如，空气加热、直接火焰、接触加热）进行定制。由于其高度多孔的特性，该材料可以减缓热能流入底层复合材料结构的速度。其薄型材格式（厚度从 7.5 密耳开始）不仅便于其应用，而且为额外的功能层（如石墨和各种金属（包括铝）腾出空间。这套专有的TPS产品被命名为AeroZero，可应用于各种表面，包括碳纤维复合材料，并已被证明在广泛的应用中有效，包括火箭、电池和排气系统以及电子设备。

聚酰亚胺气凝胶基TPS Blueshift 的技术始于一家著名的电子公司遇到过热问题。“我的联合创始人加勒特·坡（Garrett Poe）与几个团队合作开发了一种制造聚酰亚胺凝胶的工艺，然后在实验室规模上进行了验证，”Blueshift总裁蒂姆·伯比（Tim Burbey）说。由于扩大规模需要必要的资金，该技术需要时间来开发，但 Poe 和 Burbey 知道它有潜力，尤其是在航空航天领域，并于 2013 年创立了 Blueshift。

Burbey将Blueshift现在商业化的技术描述为“结构化空气”。他说，这不是泡沫。“从本质上讲，我们所做的是以某种方式包装空气，使其对产品设计师更有用。它有一个网络化的聚合物结构，但它有85%的空气和纳米大小的口袋 - 我们有超过300万亿个气囊，类似于一张纸。

“你可能听说过很多关于二氧化硅气凝胶的信息，”他继续说道，“但这是一种非常不同的产品。例如，当我说结构化空气时，这意味着具有机械强度的材料。二氧化硅气凝胶不具有良好的机械强度，不适合高振动环境。聚酰亚胺气凝胶和TPS之间的核心区别在于，TPS可以包含额外的基材——我们添加了石墨和铝等层，或其他材料，这些材料最终组合成一个高性能的产品。

因此，Blueshift TPS 的开发旨在取代过时的“老式阿波罗”材料解决方案，从而实现更高效的车辆设计并提高安全性。例如，Blueshift通过设计一种系统，在现代航空航天应用中能够承受从-200°C到超过2400°C的苛刻瞬态热条件，成功地延长了标准185°C限制环氧树脂和碳纤维复合材料的使用寿命。

“结构化空气”背后的原因 “空气大大减慢了能量和温度的传递，”Burbey说。“空气也是射频（RF）透明的，这对航空航天器中的所有传感器和通信都很重要。然而，空气只是其中的一部分。聚酰亚胺是一种耐高温和耐化学腐蚀的聚合物，具有独特的结构，有助于缓解多种热传递条件，包括传导热、对流热和辐射热。

“我们的材料有助于阻止热/冷的流动，无论能源类型如何，”Burbey解释道。由空气和聚酰亚胺结合形成的骨架结构减缓了入射的热能并限制了其穿透率，即低热扩散率。这也导致了低导热性，这意味着每单位体积需要更多的能量来改变材料的温度。“这些特性的结合使我们的产品在瞬态热事件中表现出色，”他说。“对我们来说，传热速度越快，温度越极端越好。我们可以定制我们的产品来解决传导传输问题，传导传输往往会产生集中的热点，以及对流能量传输。对于辐射能，我们可以集成反射顶层，例如VDA聚酰亚胺。

优化建模 Blueshift 功能的另外两个要素包括建模和仿真。对热缓解的需求涵盖了具有不同条件和要求的各种应用。这些包括车辆遇到从5马赫到25马赫的高速空气加热，或在重新进入大气层期间，以及电池热失控和发动机起火。虽然没有一种材料可以解决所有热问题，但 Blueshift 结合并定制其材料，以解决特定产品和车辆设计的利基问题。

“建模和仿真使我们能够做到这一点，”Burbey说。“这完全取决于零件将要看到的环境和热源的类型（例如，辐射加热与传导加热），以及配置中允许的空间。材料会与某物直接接触，还是会有间隙？持续时间也很重要，减少热量的目标也很重要。

例如，假设您有一个 ~1000ºC 火焰的环境，暴露时间为 15 分钟。我们的客户可能拥有无法看到 200°C 以上的电子设备，因此我们可以对该系统进行建模，以确定最适合满足他们要求的产品。

他补充说，该解决方案不仅应该保护电子设备，而且还应该足够轻巧和轻薄，以尽量减少对整个车辆或产品设计的影响。

Burbey指出，Blueshift还具有测试功能，包括火焰测试和各种材料级热分析，以验证该建模。“最近，我们进行了各种火焰测试，以模拟电池应用中的热失控，”他说。“而且我们必须开发有助于熔融颗粒和减轻爆炸的材料。”

堆叠图层 Blueshift 通过组合材料和堆叠层来定制 TPS 产品，以适应各种应用。“我们的核心技术被称为'AeroZero'，”Burbey说。“我们的一些产品包括这项技术的多层叠层，例如，我们有一个名为TripleZero的三层版本，其厚度约为20密耳（0.5毫米）。在创建堆叠时，Blueshift 使用专有的高温粘合剂。“我们还可以定制AeroZero产品，例如，在我们的AeroZero-TPS石墨变体中，在顶部添加石墨，这是一个很好的散热器。”石墨层沿 XY 平面散热，而 AeroZero 层显着减慢沿 Z 平面的热量渗透速度。

“我们在这些超级材料中有很多选择，可以帮助我们提供必要的热保护，同时满足其他关键要求，”他继续说道。“我们的标准商业产品可以提供宽达 12 英寸（305 毫米）的卷筒，但我们计划更宽。我们还可以将材料切成 4 毫米的窄宽度。

剥离和粘贴应用，制造零件 这导致了 Blueshift 材料如何集成到复合材料部件中并集成到复合材料部件上。Blueshift 的 TPS 系列产品配有耐高温、压敏胶粘剂。“它们实际上是剥离和粘贴的材料，”Burbey说。“我们的系统最常在复合材料固化后应用，这很好，因为我们不必担心材料在成型过程中的加工方式或其相容性。”他指出，Blueshift TPS 几乎可以应用于任何基材，只要它有足够的准备来提供干净光滑的表面。永久粘接强度通常在应用后 24+ 小时达到。

材料的剥离和粘贴功能不仅大大简化和加快了实际的 TPS 应用过程，而且材料的柔韧性和薄型也为工程师提供了设计灵活性。“航天工业就是一个很好的例子，”Burbey说。“在推动开发更可持续的太空解决方案的过程中，一些公司已经开始制造可重复使用的火箭，其中保护底层碳纤维复合材料至关重要。与用于旧太空飞行器的软木TPS解决方案相比，基于AeroZero的TPS涉及的应用过程较少，可以更轻松地准备发射车辆。此外，我们的材料重量仅为软木塞的一小部分，可以在火箭上升和重返大气层期间（2400ºC 持续 1-2 分钟）的极端温度要求下运行和承受。

Burbey指出，Blueshift生产自己的聚酰亚胺树脂。“它是根据我们的技术需求量身定制的，该工艺链从树脂、气凝胶和粘合剂一直延伸到堆叠各个层和切割零件。对我们来说，制造零件意味着我们正在切割 TPS 以适应复杂的结构。尽管 Blueshift 材料是以连续的卷对卷形式制造的，但 Burbey 指出，大多数 Blueshift 客户确实在购买零件。“我们可以提供复杂的形状和设计，”他说，并引用了月球着陆器的独特部分。“我们的客户通常提供形状和尺寸，我们使用带有各种不同刀片的大型自动切割台切割 TPS。我们也有一些项目，我们实际上将我们的 TPS 应用于客户，然后将其运回给他们。

当前和未来的应用 Blueshift 凭借其用于轻质结构的 TPS 取得了重大成功，应用范围从电动飞机到太空飞行器/卫星再到专业医疗设备。AeroZero TPS也被用于电池盒应用，以降低热失控的风险。由于对更高功率密度电池的需求不断增长，这种需求正在增长。制造商正在开发这些电池，这些电池采用紧凑的袋装或圆柱形电池组，装在小模块中，然后堆叠成复杂的系统。然而，在限制高功率密度时，热失控的风险会增加。AeroZero TPS变体已集成到电池模块和外壳的内外壁中，以帮助减缓火灾或爆炸的蔓延以及温度浸泡。TPS 已证明可有效抵御 1000°C 直燃长达 60 分钟且不会燃烧，并且正在集成到有助于提高乘客安全的系统中。

同样，在航空航天领域，解决设计师面临的挑战也大大加强。例如，减轻重量对于实现可重复使用的运载火箭以及将重型、功率密度高的电池组集成到电气化飞机中变得更加重要。这需要材料解决方案的发展，超越几十年前开发的解决方案。它还需要在重量、灵活性和性能之间取得平衡。

“我们创立 Blueshift 是因为我们看到了该技术应对这些挑战的潜力，并实现了正在进行的移动革命，”Burbey 说。“我们正在帮助公司在一些最困难的应用中取得成功，我们将继续扩大我们的能力，并追求进一步的发展，为未来的复合材料提供解决方案。”