不同密度混杂连续纤维增强复合材料烧蚀及高温压缩行为研究

• 作 者: 周耀强
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: 混杂连续纤维增强复合材料 热解反应 抗烧蚀性能 高温压缩行为

烧蚀防热的防热效率高、安全系数高、可靠度高,结构简单,密度可设计,是目前研究历史较长、技术较为成熟的热防护手段。混杂连续纤维增强（HCFR）烧蚀复合材料是飞行器是解决半弹道-跳跃式再入返回的高焓、二次大气再入、高热流密度峰值与长加热时间耦合的气动加热环境的有效方案。目前HCFR复合材料高温热解演变规律复杂,缺乏统一的高温烧蚀及力学性能测试方法,高温压缩强度等基础数据严重不足,因此烧蚀材料优化设计面临很大的挑战。本文将对不同密度的HCFR复合材料热解碳层的成分结构高温演变规律、烧蚀隔热及压缩行为进行分析,形成材料高温下成分-结构-性能演变关系,提出HCFR复合材料高温碳层抗烧蚀机制和强化机制,为后续烧蚀材料改进奠定基础。首先,对材料的高温热解反应和碳层产物的结构、成分演变进行分析。采用热重-质谱联用技术对不同氧气比例中的材料的动态热解质量变化、热解过程气体释放的成分及温度区间进行分析。证明N₂条件下高密度材料在1000℃时的质量残留率较高。O₂对于材料的酚醛树脂的热解过程起到明显的促进作用,但大量无机填料的氧化使得材料的质量残留率更高。采用压汞法对静态热解碳层的孔隙结构进行分析,低密度材料孔隙率和平均孔径随温度增加而增加,高密度材料平均开孔直径随温度升高而降低。碳层的微观形貌及成分分析显示高密度材料高温碳层结构更加完整,反应产物SiC比例更高。其次,开展材料的氧丙烷烧蚀试验,对材料的烧蚀隔热及表面层破坏失效行为进行分析,提出高密度材料抗烧蚀机制。低密度材料氧丙烷烧蚀后表面粗糙,热解碳基体剥落严重,表面烧蚀失效的主要原因为微粒剥蚀和次表面松弛;高密度材料烧蚀表面平整,烧蚀后表面形成致密的氧化熔融保护层,烧蚀线烧蚀率明显降低,且烧蚀表面和背面的温差更大,隔热效果更好。最后,开展真空环境下热解碳层的高温压缩实验,对两种材料的高温压缩行为进行分析,材料高温压缩强度演变规律显示,随着温度增加,材料的压缩强度先增加后降低,在900℃时出现最低值。一般情况下,相较于低密度材料,高密度材料的压缩强度更高。这是由于在较低的温度下无机填料起到骨架支撑作用,高温下碳层无机填料与热解碳发生Si-C反应使得碳层刚度和强度增大。