【摘要】：本文根據(jù)在高熱流密度、強氣流沖刷的氣動熱力耦合環(huán)境中短時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)、聚對苯撐苯并雙VA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)計了酚醛-石英/酚醛和PBO-石英/酚醛兩類混雜纖維增強復(fù)合材料(HFRP),并考察了其性能。通過對不同炭化程度的復(fù)合材料的力學(xué)性能分析,考察復(fù)合材料炭層的力學(xué)性能;通過氧-乙炔燒蝕實驗平臺提供的高溫環(huán)境,研究復(fù)合材料在高溫作用下的質(zhì)量損失規(guī)律;通過小型液體發(fā)動機尾焰燒蝕實驗平臺提供的氣動熱力耦合環(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的性能演變規(guī)律,并研究了纖維混雜比、樹脂基體類型和有機纖維類型對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)動機尾焰燒蝕實驗平臺提供的熱力耦合環(huán)境中質(zhì)量損失率大,試樣損毀嚴重。P/PR失效的主要原因是,燒蝕過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的失效主要源于樹脂基體熱解程度較高時,材料嚴重分層破壞,纖維鋪層無有效結(jié)合,而且燒蝕過程中炭層膨脹、分層;Q/PR失效的主要原因是燒蝕過程中,材料嚴重分層。(2)密度≤1.4g/cm3的酚醛-石英/酚醛HFRP,具有較強的耐沖刷能力。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源,改善了炭層形貌;石英纖維在燒蝕過程中與熱解炭的相互反應(yīng),增強了熱解炭與本體材料之間的結(jié)合。Kynol酚醛纖維、酚醛樹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)在纖維體積分數(shù)(Vf)約為45%時,PBO-Q/PR HFRP具有較強的耐沖刷能力。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的纖維熱解炭,豐富了復(fù)合材料中熱解炭的來源,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 HFRP的綜合性能最好。(5)不同樹脂基體的P-Q/BPR、P-Q/PR與P-Q/BZ HFRP中,PR樹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?P-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酚醛纖維與酚醛樹脂的界面結(jié)合優(yōu)于PBO纖維與樹脂的界面結(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PBO-Q/PR復(fù)合材料。
【圖文】：

脂odified phenolic resin or Boron-containi有廣泛應(yīng)用[76]。硼酚醛樹脂由于硼原子，B—O 鍵的鍵能 (774 KJ/mol)高于 C，硼酚醛的熱解溫度高，殘?zhí)柯矢遊77]。合成的研究始于上世紀 80 年代末，，主[79,80]]和共聚共混法[81]。硼酚醛的耐熱提高。如，Y H Liu[82]等人用超支化硼高達 75.4%；J G Wang[83]等人用 B4C 改8.4%；L Liu[84]等人用硝酸、二氨基二進而采用甲醛水溶液法合成的納米改性提高了 36.7oC，殘?zhí)柯侍岣吡?6.2%。廠采用固相生成法合成硼酚醛，固化后

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文僅為 0.23%，拉伸強度和彎曲強彎曲模量分別達 111GPa 和 105GP嗪樹脂在 50oC~218oC 之間樹脂粘度約為 64%。樹脂Polyarylacetylene, PAA）是乙炔基芳 樹脂的聚合反應(yīng)為加成反應(yīng)，無低應(yīng)用于 RTM 成型工藝。PAA 樹脂固 1.4 所示。PAA 樹脂固化物在 450900oC 的殘?zhí)柯试?80%以上，甚至有改善復(fù)合材料的燒蝕性能[97,98,99]。
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB332

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本文編號：2530668