耐燒蝕混雜纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與性能研究.pdf

1、本文根據(jù)在高熱流密度、強(qiáng)氣流沖刷的氣動(dòng)熱力耦合環(huán)境中短時(shí)使用的大面積耐燒蝕復(fù)合材料的輕質(zhì)、隔熱、耐沖刷等要求，考察了具有較低密度的Kynol酚醛纖維/低壓鋇酚醛(P/PR)、聚對(duì)苯撐苯并雙噁唑纖維/低壓鋇酚醛(PBO/PR)和石英纖維/低壓鋇酚醛(Q/PR)復(fù)合材料的耐燒蝕性能；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了酚醛-石英/酚醛和PBO-石英/酚醛兩類(lèi)混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(HFRP)，并考察了其性能。
　　通過(guò)對(duì)不同炭化程度的復(fù)合材料的力學(xué)性能分

2、析，考察復(fù)合材料炭層的力學(xué)性能；通過(guò)氧-乙炔燒蝕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的高溫環(huán)境，研究復(fù)合材料在高溫作用下的質(zhì)量損失規(guī)律；通過(guò)小型液體發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰燒蝕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的氣動(dòng)熱力耦合環(huán)境，研究復(fù)合材料的耐沖刷性能；采用掃描電鏡分析研究復(fù)合材料在不同熱環(huán)境中燒蝕炭層微觀形貌特征。根據(jù)上述研究結(jié)果，分析P/PR、PBO/PR和Q/PR復(fù)合材料在高熱流密度、強(qiáng)氣流沖刷熱環(huán)境中的性能演變規(guī)律和主要失效原因，研究酚醛-石英/酚醛和 PBO-石英/酚醛 HFRP的性

3、能演變規(guī)律，并研究了纖維混雜比、樹(shù)脂基體類(lèi)型和有機(jī)纖維類(lèi)型對(duì)HFRP性能的影響。
　　研究結(jié)果表明：(1)密度分別為1.21g/cm3、1.37g/cm3和1.45g/cm3的P/PR、PBO/PR和Q/PR復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰燒蝕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的熱力耦合環(huán)境中質(zhì)量損失率大，試樣損毀嚴(yán)重。P/PR失效的主要原因是，燒蝕過(guò)程中形成的熱解炭之間、炭層與熱解層之間被裂紋分割，相互間結(jié)合較差；PBO/PR的失效主要源于樹(shù)脂基體熱解程度較高時(shí)

4、，材料嚴(yán)重分層破壞，纖維鋪層無(wú)有效結(jié)合，而且燒蝕過(guò)程中炭層膨脹、分層；Q/PR失效的主要原因是燒蝕過(guò)程中，材料嚴(yán)重分層。
　　(2)密度≤1.4g/cm3的酚醛-石英/酚醛HFRP，具有較強(qiáng)的耐沖刷能力。在高溫環(huán)境中，酚醛-石英/酚醛材料體系中的Kynol酚醛纖維熱解成炭，并與樹(shù)脂基體熱解炭相互反應(yīng)呈整體結(jié)構(gòu)，豐富了炭層中熱解炭的來(lái)源，改善了炭層形貌；石英纖維在燒蝕過(guò)程中與熱解炭的相互反應(yīng)，增強(qiáng)了熱解炭與本體材料之間的結(jié)合。Kyn

5、ol酚醛纖維、酚醛樹(shù)脂基體和石英纖維的協(xié)同反應(yīng)，提高了炭層力學(xué)性能，增強(qiáng)了炭層微觀的完整性和穩(wěn)定性，改善了熱解炭之間結(jié)合(如 P/PR復(fù)合材料)和燒蝕分層現(xiàn)象(如Q/PR復(fù)合材料)，從而提高了酚醛-石英HFRP復(fù)合材料的耐沖刷性能。
　　(3)在纖維體積分?jǐn)?shù)(Vf)約為45％時(shí)，PBO-Q/PR HFRP具有較強(qiáng)的耐沖刷能力。在高溫環(huán)境中，PBO-Q/PR材料體系中的PBO纖維熱解、炭化形成耐沖刷能力強(qiáng)的纖維熱解炭，豐富了復(fù)合材料

6、中熱解炭的來(lái)源，改善了炭層形貌；石英纖維的存在改善了PBO-Q/PR HFRP高溫分層破壞情況，且在燒蝕條件下與PBO纖維熱解炭發(fā)生碳硅氧化反應(yīng)，提高熱解炭與本體材料的結(jié)合，形成穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)，保護(hù)內(nèi)部材料不被剝蝕，提高了耐沖刷性能。
　　(4) HFRP復(fù)合材料間的協(xié)同反應(yīng)程度影響炭層力學(xué)性能與炭層微觀結(jié)構(gòu)，最終影響HFRP的耐沖刷性能。在不同混雜比的P3-Q/PR、P-Q/PR和P-Q3/PR HFRP中，P-Q/PR HFR

7、P的綜合性能最好。
　　(5)不同樹(shù)脂基體的P-Q/BPR、P-Q/PR與P-Q/BZ HFRP中，PR樹(shù)脂基體的熱解范圍寬，與Kynol熱解同步性好，并有較高的殘?zhí)柯剩琍-Q/PR復(fù)合材料的炭層力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)整體性越好，耐沖刷性能越好。
　　(6) Kynol酚醛纖維密度小于PBO纖維，Kynol酚醛纖維與酚醛樹(shù)脂的界面結(jié)合優(yōu)于PBO纖維與樹(shù)脂的界面結(jié)合，因此，P-Q/PR復(fù)合材料在降低材料密度、提高隔熱性能潛能優(yōu)于P