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飞行器穿越地球大气层时,热防护系统(Thermal Protection System,TPS)起到了保护飞行器内部结构的重要作用。硅橡胶作为烧蚀绝热材料拥有密度低、热稳定性好且隔热性能优异、高弹性等诸多优点。然而,硅橡胶成炭率低、在强气流的冲刷下容易发生剥离、脱落,不利于高温下的热防护。硼酚醛树脂是在传统的酚醛树脂上引入了 B元素,其残炭率高、热稳定性好。然而,硼酚醛树脂脆性大。本文将硼酚醛树脂引入硅橡胶基体中,发挥二者优势,制备一种硼酚醛/硅橡胶基新型耐烧蚀绝热材料,并系统地研究了耐烧蚀绝热材料的力学、烧蚀性能及机理。基础配方的确定及硫化工艺的探究:应用门尼硫化仪、平板硫化机等研究了耐烧蚀绝热材料的最优配方及硫化工艺。实验结果表明:以甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)、甲基乙烯基苯基硅橡胶(PVMQ)、白炭黑和硼酚醛树脂为原料。硫化工艺为:一次硫化温度150℃,压强5MPa,硫化时间38mins;二次硫化温度170℃,压强5MPa,硫化时间30mins;三次硫化温度190℃,压强5MPa,硫化时间2h,同时在硫化升温过程中加入两次1min的放气过程。研究了碳纤维和ZrB2对硼酚醛/硅橡胶基耐烧蚀材料的性能影响并采用HSC Chemistry软件运用热力学分析探讨了耐烧蚀绝热材料在高温下的烧蚀隔热机理。试验结果表明,与白炭黑相比,碳纤维和ZrB2对耐烧蚀绝热材料的增强效果并不明显,但二者可以增加材料的耐烧蚀性能,30份硼酚醛树脂添加量的线烧蚀率降至最低为0.223mm/s。热力学分析表明,耐烧蚀材料的烧蚀机理为:在烧蚀发生过程中,表面陶瓷层中ZrB2高温下与O2发生反应生成的ZrO2与熔融的SiO2共同构成陶瓷化合物阻挡了热量的进一步传递。碳纤维使得产生的陶瓷层不易碎裂、剥离,起到了骨架连接的作用。SiO2、B2O3等相变反应带走了绝大部分热量。热解层中ZrB2与硼酚醛树脂热解产生的CO、CO2、H2O发生反应生成ZrO2等。采用硅烷偶联剂及硼酚醛树脂浸渍预处理碳纤维布,制备硼酚醛/硅橡胶基耐烧蚀材料,并通过FTIR、EDS、XRD及热力学分析等手段研究了材料的结构和烧蚀机理。结果表明:用3%KH570硅烷偶联剂对碳纤维布表面进行改性,其剥离强度达到2.1KN/m。用4%KH570处理的碳纤维布增强耐烧蚀绝热材料的抗拉强度、线烧蚀率最佳,其抗拉强度为16.3MPa,线烧蚀率为0.065mm/s。烧蚀机理为耐烧蚀材料在烧蚀过程中发生了碳化-陶瓷化耦合作用。