低密度烧蚀材料研究进展

随着深空探测任务发展,飞船返回舱和星际探测器的大底和侧壁等部位的高热流密度、高焓值和长气动加热时间的热环境对热防护系统及材料的气动外形保持能力、轻量化、防热效率、隔热性能和长时间服役能力提出了更高的要求,使得具有烧蚀、隔热性能优异和结构重量轻等特点的低密度烧蚀材料备受关注.文章系统总结了低密度烧蚀材料的特点和发展历程,介绍了国内外蜂窝增强和纤维化多孔基体增强两类低密度烧蚀材料的研究进展及实际应用现状,重点介绍了蜂窝增强硅橡胶、蜂窝增强酚醛树脂和蜂窝增强有机硅树脂低密度烧蚀材料,以及硅树脂浸渍可重复使用陶瓷基体烧蚀材料和酚醛浸渍碳烧蚀材料为代表的轻质陶瓷烧蚀材料.针对我国发展新一代载人飞船的近地轨道、载人登月、载人登小行星、载人登火星等任务模式热防护系统的特殊需求,介绍了国内为新一代多用途载人飞船轻量化热防护系统研制所做的基础研究和应用研究.最后,分析了低密度烧蚀材料的国内外的技术差距并探讨了我国低密度烧蚀材料发展展望.     

先进树脂基轻质烧蚀防热复合材料

基于新型多孔杂化树脂基体,制备出一种先进树脂基轻质烧蚀防热复合材料。通过化学反应控制和杂化树脂组分的调节,实现了对多孔杂化树脂基体微观结构和宏观性能的控制,制备出密度0.18～0.75 g/cm~3,平均孔径0.01～10μm之间可灵活调节的多孔杂化树脂基体,孔隙率最高可达95%。以此杂化树脂为基体,可构建出密度0.30～1.2 g/cm~3之间可调的轻质烧蚀防热复合材料。以自制高孔隙率碳纤维骨架和商品化石英纤维针刺毡为增强体,制备出密度分别为0.35 g/cm~3和0.65 g/cm~3的2种轻质烧蚀防热复合材料,热导率0.1 W/(m·K)。等离子体电弧风洞考核结果表明,新型复合材料表现出优异的烧蚀性能和高效隔热性能。C-1复合材料在6 MW/m~2热流条件下,33 s烧蚀时间后,表面最高温度达到2 850℃,而30 mm处背面温升为186℃,50 mm处背面温升仅有55℃。S-2复合材料总加热量270 MJ/m~2的热环境下,270 s加热后最高背面(15 mm处)温升仅为95℃。     

封面图片说明

正封面图片来自本期论文"低密度烧蚀材料研究进展",是哈尔滨工业大学张幸红教授课题组开展的超轻质烧蚀材料及其防/隔热性能的展示.该课题组提出了一种"雾凇"仿生结构的低密度纤维预制体/树脂气凝胶纳米复合材料并对纳米复合材料设计、微结构调控、性能优化以及地面模拟环境考核及烧蚀机理和评价开展研究工作.首先,根据我国新一代多用途载人飞船特殊的服役环境要求,确定了防热材     

碳/酚醛复合材料烧蚀过程热应力分析

为了评价防热材料的烧蚀性能,利用有限元软件ANSYS对碳/酚醛复合材料烧蚀过程中热应力的分布与演化规律进行了数值模拟.计算了恒定热流边界条件下材料的瞬态温度场和热应力场,采用蔡-希尔准则对材料热解区进行了破坏分析.数值计算结果与试验测试及图像分析结果的比较表明,随烧蚀过程的进行,材料热影响深度逐渐增大,温度梯度减小;材料热解区存在因热膨胀引起的热应力峰值,并随烧蚀过程逐渐后移,热应力是导致材料裂纹产生并扩展的主要原因.     

正交试验法研究改性酚醛浸渍树脂

为了提高建筑木模板用酚醛浸渍树脂的性能,以氢氧化钡为催化剂、三聚氰胺为增强剂、聚乙烯醇为增韧剂,用二次升温缩聚的方法制备了改性钡酚醛浸渍树脂,并且利用正交试验法分析讨论了浸渍树脂的配方和合成工艺.结果表明,在最优合成条件(甲醛/苯酚摩尔比为1.8、三聚氰胺/苯酚摩尔比为0.09、低温(65 ℃)缩聚时间为45 min)下合成的改性钡酚醛树脂的聚合时间、弹性模量、静曲强度、抗冲击强度等性能均显著优于未改性钡酚醛树脂.该实验方法及结果可为提高浸渍树脂的性能和木模板的生产效率提供参考.     

高温处理后C/SiC点阵结构复合材料压缩性能

C/SiC点阵结构复合材料具有轻质、高强、防热、抗烧蚀等功能,有望应用于未来高超声速飞行器的热防护系统中.采用纤维束缝合工艺和先驱体浸渍裂解法(PIP)制备了C/SiC四棱锥点阵结构复合材料.将C/SiC点阵结构复合材料试件分别在1 200℃和1 600℃下进行热处理30 min,对高温热处理后的C/SiC四棱锥点阵结构复合材料压缩性能进行了实验研究,并与未进行热处理材料的压缩性能进行了比较.实验结果表明:高温热处理会引起C/SiC四棱锥点阵结构复合材料压缩性能的下降,但1 600℃热处理后材料的强度明显高于1 200℃热处理后材料的强度.     

多向编织炭/炭的复合材料烧蚀性能

利用以星型交流电弧加热器为核心的地面模拟系统对三维5D编织炭/炭复合材料的烧蚀行为进行了考核,通过对材料烧蚀表面温度、形貌的在线实时监测及烧蚀后微观结构的观察,研究了该类材料的烧蚀行为.研究发现:三维5D编织炭/炭复合材料的烧蚀是热化学烧蚀和机械剥蚀的综合作用,构件边缘区域以机械剥蚀为主,中心区域表现为热化学烧蚀和机械剥蚀相互耦合,没有明确的分界;基体炭与炭纤维的抗烧蚀性能相差较大,炭纤维的抗热化学烧蚀性能、抗机械剥蚀性能明显高于基体炭,烧蚀后试件烧蚀表面仅剩下凸起的纤维束骨架结构;三维5D编织炭/炭复合材料的烧蚀性能表现出较强的各向异性,在轴向体现为单根纤维失去周围基体支持而发生剥离,抗烧蚀性能相比较好;在径向体现为烧蚀表面脱层,抗烧蚀性能相比较差.     

M—40／酚醛环氧复合材料界面改性的研究

应用阳极氧化法对Ｍ－４０高模量碳纤维进行表面改性，在酚醛环氧树脂中加入ＱＹ８９１－Ｉ型双马来酰亚胺树脂进行基体改性。测定了几种不同体系的Ｍ－４０／酚醛环氧 合材料在室温和高温的层间剪切强度和抗冲击强度，并用ＳＥＭ观察分析了剪切和冲击断口形貌。结果表明，纤维和基体同时改性的复合材料不仅具有较高的界面强度，而且具有较好的冲击韧性。     

溶剂浸渍树脂及其在湿法冶金中的应用

湿法冶金生产中,溶剂萃取和离子交换分离技术近20年来经历了平行发展的过程。用有机溶剂浸渍多孔基体材料所制成的液膜,兼有两者的联合性质,因而受到人们的普遍重视。液膜的利用有两种形式:一种是作成液体表面膜,另一种将其作成树脂球体,即所谓溶剂浸渍树脂(简称SIR)。液体表面膜是用溶剂浸渍多孔的聚四氟乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯薄膜而成。它靠萃     

碳纤维布增强酚醛环氧树脂的力学性能

酚醛树脂具有较好的机械加工性能以及极佳的耐热性能,但是酚醛树脂性脆,韧性差,采用环氧树脂对其进行共混改性可以提高酚醛树脂的韧性,但是会损失一定的热性能. 以碳纤维布作为增强材料,酚醛树脂,环氧树脂作为基体,经过浸渍,层压成型等工艺,制得碳纤维布增强酚醛环氧树脂复合材料. 通过比较不同质量分数的酚醛／环氧树脂质量比所制得的材料的力学性能,热性能及扫描电镜表征出的复合材料的微观结构,得出在环氧树脂质量分数为２５％时,该复合材料的弯曲强度达到２６２．５ ＭＰａ,冲击强度达到６２．３ ｋＪ·ｍ－２,相对于没有加入环氧树脂的碳纤维布增强酚醛环氧树脂复合材料,分别提高了２３％和１８５％. 热形变温度达到１５８．８ ℃,相对于没有加入环氧树脂的复合材料减少了１３％. 综合来看,环氧树脂质量分数在２５％时,碳纤维布增强酚醛环氧树脂复合材料具有最佳的综合性能.     

粉煤灰填充PF、PVC、SBR的研究

研究了细粒度粉煤灰填充酚醛、聚氯乙烯塑料后的性能变化，及填充无补强丁苯胶后性能的分析。发现粉煤灰可作酚醛、聚氯乙烯的填充剂，不适于作了苯胶的补强剂。在同样的填充条件下，粉煤灰的粉径越细，填充效果越好。其中，粉煤灰─酚醛填充材料可达到日用模塑粉的国家标准，粉煤灰─聚氯乙烯填充材料可达到钙塑材料的企业标准，而成本有所降低，同时有助于消除环境污染。     

酚醛环氧树脂增韧双马来酰亚胺的研究

研究了二苯甲烷型双马来酰亚胺（ＢＭＩ）、４，４＇－二胺基二苯基甲烷（ＤＤＭ）及酚醛型环氧树脂（Ｆ－５１）的共固化交联系统，它具有耐温度、韧性好、吸水率低和易于固化的特性，因而有可能成为新型耐高温复合材料的树脂基体之一。本文还对改性树脂的力学性能、耐热性进行了有关测定，并用差热－热重分析、红外光谱分析等近代测试手段探讨了树脂固化工艺制度和合成固化反应     

硅基绝热材料的玻璃成珠机理研究

采用冲压发动机地面连管试验系统对玻璃纤维酚醛材料进行了烧蚀试验.通过分析烧蚀材料的微观形貌以及燃气温度、压力和流速对烧蚀过程的影响,研究了玻璃珠的形成机理.研究发现:在补燃室不同位置,玻璃珠呈不同分布;玻璃成珠过程受燃气的压力、温度和速度的共同作用,燃气流速对玻璃珠的形成影响最大;从保护碳层、减少烧蚀的角度,玻璃珠的形...     

高填充量的滑石粉/聚乙烯材料流变性能的研究

目的研究流变改性剂的种类、用量和树脂的配比对高填充量的滑石粉/聚乙烯材料流变性能的影响. 方法对树脂配比、流变改性剂种类及用量对表观粘度的影响进行了分析. 结果流变改性剂的种类和用量、树脂的配比都影响高填充量填充材料的流变性. 结论为高填充量材料配方设计的改进以及工艺的进一步完善提供了理论依据.     

液相法制备炭／炭复合材料的显微结构

采用光学显微镜和扫描电子显微镜对用液相法制备的3种单向纤维增强炭／炭复合材料的显微结构进行了观察和分析，这3种炭／炭复合材料分别采用纯沥青作基体和沥青加焦炭粉、树脂加焦炭粉作预浸初基体制得，在热压成形初坯体内，收缩的微裂纹沿纤维轴向与外界相通，可被再浸渍填充，而孔洞则大多与外界隔绝，不能被再浸渍填充，实验结果表明：集炭填充料的添加改变了复合材料的显微结构，可调整炭／炭复合材料的纤料的纤维体积分数，减少气孔的形成，有利于再浸渍致密化；它还扰乱基体状结构组织，导致其焦炭粉颗粒呈紊乱状态。     

发射装置导轨用MoS2润滑防护干膜的热成膜工艺研究

新型具有优良减摩抗磨性能的MoS2干膜PMM对发射装置导轨具有良好的润滑、密封和防腐蚀作用，能够有效地抑制导弹发动机燃气对导轨产生的瞬时高温烧蚀和高速冲蚀磨损，以及导轨表面粘附残渣区域的腐蚀性破坏，是发射装置导轨的优良防护涂层材料。然而，酚醛环氧型MoS2干膜PMM等热烘烤型涂层的成膜温度较高，可能对硬铝或超硬铝合金构件的强度和韧性等产生不良影响。文中着重探讨了热固型MoS2干膜在两种典型硬铝和超硬铝合金构件上的成膜工艺，分析了促进剂对降低成膜温度和提高涂层／基体附着力的作用，并通过相关模拟和应用实验证实新型热固型MoS2干膜产品可用于相关军事工程领域装备和器件的烧粘及腐蚀防护。     

酚醛环氧树脂增韧双马来酰亚胺的研究

研究了二苯甲烷型双来酰亚胺（ＢＭＩ），４，４′－二胺基二苯基甲烷（ＤＤＭ）及酚醛型环氧树脂（Ｆ－５１）的共固化交联系统，它具有耐温度，韧性好吸水率低和易于固化的特性，因而有可能成为新型耐高温合复合材料的树脂基体之一，本文还对改性树脂的力学性能，耐热性进行了有关测定，并用差热－热重分析，红外光谱分析等近代测试手段控制了树脂固化工艺制度和合成固化反应。     

废弃印刷线路板非金属回收料填充制备聚丙烯复合板材的力学性能研究

以废线路板非金属回收料作为填料,与聚丙烯树脂共混模压制得复合板材。考察了线路板非金属粉末粒径、填充量、改性剂等因素对复合材料力学性能的影响。研究表明：细粒径粉末填充材料具有较好力学性能;添加适量马来酸酐接枝聚丙烯能增强填料粒子和树脂基体的界面粘结强度,提高材料综合力学性能：选用250μm以下的非金属粉末作为填料,当填充量为20％时,加入2．5％马来酸酐接枝聚丙烯可使复合板材拉伸和冲击性能分别提高41％和46％。     

混杂纤维摩阻材料最低与最佳基体树脂含量的确定

采用碳纤维和钢纤维为增强材料、开环聚合酚醛树脂为基体,制得新型摩阻材料。研究了摩阻材料的最低树脂含量和最佳树脂含量,并与FB酚醛树脂基体摩阻材料进行对比。试验结果表明:对于所研究的基体树脂,最低树脂含量为14%,最佳树脂含量为18%;与其对比的FB酚醛树脂基体的最低和最佳树脂含量均高于此值;采用最佳树脂含量制得的摩阻材料的摩阻性能优于FB酚醛树脂基体材料。     

无卤阻燃芦苇纤维及PVC复合材料的制备

分别选用聚磷酸铵(APP)、聚磷酸铵/季戊四醇(APP/PER)膨胀阻燃体系,通过物理浸渍法对芦苇纤维(PA)进行阻燃化处理,以聚氯乙烯(PVC)为基体树脂,PA、阻燃芦苇纤维作为填料,制备了PPA复合材料。通过力学性能、氧指数、垂直燃烧和剩炭率等测试,分析了浸渍阻燃对芦苇纤维阻燃性能和热稳定性的影响,对复合材料的力学性能、热性能和微观结构进行了分析。结果表明,阻燃改性可提高纤维的阻燃性能和热稳定性,其中,APP/PER复配阻燃芦苇纤维(PA-2)的性能最优,氧指数可达32.3%,剩炭率65%,阻燃等级为V-0级。在阻燃体系中加入适量的PER对复合材料的界面性能有益,提高了拉伸性能。