多孔纖維基酚醛樹(shù)脂燒蝕復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、新型高效輕質(zhì)的防隔熱一體化燒蝕材料是航空航天領(lǐng)域熱防護(hù)系統(tǒng)研究的前沿課題。隨著深空宇航技術(shù)向行星探索方向的快速發(fā)展，對(duì)高溫?zé)g熱防護(hù)材料的研究提出了新的要求。目前常見(jiàn)的如LI-2200等低密度可重復(fù)使用的表面隔熱材料(RSI)在高溫高壓熱力耦合載荷作用下，特別是由于表面高剪切載荷的存在，會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生嚴(yán)峻的力學(xué)失效和崩落。顯然，普通的表面隔熱材料在超高熱流密度環(huán)境下無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的保護(hù)功能，因此為了提高可重復(fù)使用表面隔熱材料的燒蝕性能

2、和耐高溫性能，本論文研究一類新型高效燒蝕材料——多孔纖維基酚醛樹(shù)脂燒蝕復(fù)合材料。以剛性纖維多孔骨架為基體，在多孔纖維骨架的內(nèi)部孔洞中填充酚醛樹(shù)脂，取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，制備出一種性能更優(yōu)越的復(fù)合型燒蝕熱防護(hù)材料。
　　本課題利用短切石英纖維和短切碳纖維為原料，通過(guò)纖維漿料抽濾、模壓成型的方法經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制備兩類多孔纖維預(yù)制體。制備出的石英纖維預(yù)制體具有極低的密度(0.20 g/cm3~0.35g/cm3)和極高的孔隙率(85

3、％-91%)。碳纖維預(yù)制體的密度范圍在0.15 g/cm3-0.25g/cm3，孔隙率在85%-92%之間。采用掃描電鏡對(duì)石英纖維預(yù)制體進(jìn)行觀察，結(jié)果表明：沿纖維鋪層方向石英纖維隨機(jī)排列，無(wú)取向性，孔結(jié)構(gòu)相互連通且不規(guī)則，纖維預(yù)制體截面方向分層明顯。隨著預(yù)制體密度的增加，石英纖維燒結(jié)彎曲現(xiàn)象增加。碳纖維預(yù)制體中纖維分布也無(wú)取向性，纖維之間的黏結(jié)依靠水溶性酚醛樹(shù)脂，孔結(jié)構(gòu)不規(guī)則。對(duì)纖維預(yù)制體材料力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，其壓縮破壞的斷裂機(jī)理為典型

4、的脆性壓損，且應(yīng)力應(yīng)變曲線存在明顯多孔結(jié)構(gòu)壓實(shí)階段的平臺(tái)應(yīng)力期，多孔石英纖維預(yù)制體骨架壓縮強(qiáng)度歲密度的增大而增加，密度為0.20 g/cm3時(shí)，屈服強(qiáng)度0.337MPa，形變10%時(shí)的強(qiáng)度0.472MPa；密度為0.20 g/cm3碳纖維的屈服強(qiáng)度為0.355MPa，形變10%時(shí)的強(qiáng)度為0.428MPa。
　　采用真空浸漬方法在多孔材料預(yù)制體中浸漬酚醛樹(shù)脂，考察浸漬劑濃度、浸漬真空度對(duì)復(fù)合材料密度的影響。結(jié)果表明浸漬劑濃度是影響最

5、終復(fù)合材料密度的主要因素，浸漬真空度對(duì)復(fù)合材料密度的影響不大。復(fù)合材料的抗壓性能測(cè)試結(jié)果表明，隨著酚醛樹(shù)脂含量的增加，樹(shù)脂作為主要承載相，材料的壓縮強(qiáng)度明顯增大。與空白預(yù)制體骨架相比較，酚醛樹(shù)脂浸漬多孔石英纖維燒蝕材料壓縮強(qiáng)度增大432%，酚醛樹(shù)脂浸漬多孔碳纖維燒蝕材料的壓縮強(qiáng)度增大569%。
　　針對(duì)纖維預(yù)制體骨架和復(fù)合材料熱學(xué)性能分析表明，在多孔纖維預(yù)制體中填充酚醛樹(shù)脂之后，材料的熱導(dǎo)率變化不大。石英纖維多孔材料的室溫?zé)釋?dǎo)率在

6、0.032W/m·K，酚醛樹(shù)脂浸漬后復(fù)合材料室溫?zé)釋?dǎo)率增加到0.043W/m·K；碳纖維多孔材料的室溫?zé)釋?dǎo)率為0.046 W/m·K，酚醛樹(shù)脂浸漬后復(fù)合材料的室溫?zé)釋?dǎo)率增加到0.067 W/m·K。
　　氧乙炔燒蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，酚醛浸漬多孔石英纖維燒蝕復(fù)合材料在熱流密度406.84kW/m2條件下，質(zhì)量燒蝕率為0.0070g/s，線燒蝕率為0.0364mm/s；酚醛浸漬多孔碳纖維燒蝕復(fù)合材料在熱流密度659.83 kW/m2條件下