【摘要】：進(jìn)入21世紀(jì)以來,世界各大強(qiáng)國(guó)陸續(xù)提出規(guī)模龐大的月球、火星以及遠(yuǎn)地行星探測(cè)計(jì)劃,掀起了開展深空探測(cè)的浪潮。深空探測(cè)飛行器對(duì)熱防護(hù)材料的氣動(dòng)保形能力,輕量化,高效防熱,長(zhǎng)時(shí)服役能力提出了更高的要求。本文針對(duì)新型輕質(zhì)燒蝕防熱材料的長(zhǎng)時(shí)間服役要求,在課題組已有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究和改進(jìn)傳統(tǒng)輕質(zhì)石英纖維增強(qiáng)低密度酚醛復(fù)合材料的不足,以甲基三甲氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷兩種硅烷共改酚醛氣凝膠作為基體相、石英纖維三維預(yù)制體為增強(qiáng)相,制備出一種新型防/隔熱一體化石英纖維增強(qiáng)低密度酚醛復(fù)合材料,并對(duì)硅烷改性酚醛氣凝膠、石英纖維預(yù)制體及NQF/Si-PR復(fù)合材料進(jìn)行了材料體系設(shè)計(jì)、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控以及性能測(cè)試。較深入的研究了NQF/Si-PR復(fù)合材料經(jīng)高溫?zé)峤馓蓟蟮慕Y(jié)構(gòu)演變以及熱物理性能、力學(xué)性能的變化規(guī)律。采用酚醛樹脂為基體、六亞甲基四胺為催化劑、乙二醇為溶劑和造孔劑、甲基三甲氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷作為改性劑的前驅(qū)體溶液,通過溶膠-凝膠聚合法、常溫溶劑替換以及常壓干燥成功制備了硅烷改性酚醛氣凝膠。Si-PR氣凝膠是由納米尺寸的凝膠顆粒相互堆積成空間三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在氣凝膠內(nèi)部具有凝膠顆粒和孔隙雙連續(xù)的特征。硅烷改性劑的加入,促使PR氣凝膠的凝膠顆粒尺寸出現(xiàn)分級(jí),分化出尺寸更小的納米顆粒,改善了氣凝膠孔徑分布和孔結(jié)構(gòu),提高復(fù)合材料的比表面積。成功將Si-O-C和Si-O-Si等高健能基團(tuán)引入到酚醛氣凝膠的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)中,有效的改善了酚醛氣凝膠的熱穩(wěn)定性。以石英纖維針刺氈作為增強(qiáng)材料,采用濃度分別為5%、10%、15%以及20%的酚醛樹脂稀溶液通過浸漬、烘干與固化工藝制備出剛性石英纖維預(yù)制體(NQF);以石英纖維預(yù)制體為增強(qiáng)相,Si-PR氣凝膠為浸漬相和基體相,采用真空輔助浸漬、溶膠-凝膠聚合反應(yīng)等方法合成NQF/Si-PR氣凝膠復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明石英纖維預(yù)制體和氣凝膠復(fù)合材料的力學(xué)性能都隨著酚醛粘接劑濃度的提高而提高。對(duì)NQF/Si-PR氣凝膠復(fù)合材料分別在RT、400℃、600℃、800℃、1000℃以及1200℃進(jìn)行高溫處理。結(jié)果表明復(fù)合材料隨著熱處理溫度的升高,酚醛碳化程度逐漸增加,微觀孔徑逐漸增大,孔體積增加,比表面積下降�；瘜W(xué)狀態(tài)上,隨著熱處理溫度的提高,復(fù)合材料中依次發(fā)生亞甲基(-CH2-)、芳環(huán)上C-H鍵以及CH鍵等化學(xué)鍵的斷裂,材料內(nèi)部交聯(lián)結(jié)構(gòu)逐漸破壞,不斷釋放CH4、H2、苯酚等小分子,碳化程度逐漸升高。力學(xué)性能分析表明,復(fù)合材料的常溫壓縮性能隨著溫度的升高而呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。高溫拉伸性能分析表明,原始?xì)饽z復(fù)合材料在拉伸過程中的存在兩段近彈性變形,分別對(duì)應(yīng)于原始復(fù)合材料和氣凝膠破壞后重新取向的石英纖維簇,復(fù)合材料的斷裂也被認(rèn)為是許多微觀的石英纖維斷裂的耦合效果。碳化后復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨溫度升高也呈下降趨勢(shì),在400℃、700℃存在小幅的升高,原因是在該溫度條件下,材料內(nèi)部氣凝膠結(jié)構(gòu)力學(xué)性能急劇下降,導(dǎo)致復(fù)合材料XY面內(nèi)方向的纖維布朝向外加載荷方向旋轉(zhuǎn),石英纖維的一致取向小幅提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量。導(dǎo)熱性能分析結(jié)果表明NQF/Si-PR氣凝膠復(fù)合材料的熱導(dǎo)率有隨著溫度升高不斷升高的趨勢(shì),且在相同溫度下CM-RT的熱導(dǎo)率較CM-1200略低。
【圖文】：

進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，世界各大強(qiáng)國(guó)陸續(xù)提出規(guī)模龐大的月球、火星以及遠(yuǎn)測(cè)計(jì)劃，掀起了開展深空探測(cè)的浪潮[1]。深空探測(cè)是在地球衛(wèi)星以及載人重大成就的基礎(chǔ)上，人類向更廣闊的宇宙探索重要手段，它既是當(dāng)今世界性且最具影響力的領(lǐng)域，又是全世界眾多學(xué)術(shù)領(lǐng)域中最先進(jìn)的高精尖技耦合。深空探測(cè)的水平能夠直接體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力和創(chuàng)新水平，國(guó)家安全、提升綜合國(guó)力以及國(guó)際影響力有著極為深遠(yuǎn)的意義[2,3]。飛行器以高馬赫數(shù)（Ma＞5）在大氣層中飛行穿越的過程中，需要承受極氣動(dòng)熱環(huán)境，該氣動(dòng)熱環(huán)境具有熱流密度高、總加熱量大、時(shí)間長(zhǎng)、一定載等特點(diǎn)。飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)是保證飛行器能夠通過嚴(yán)苛環(huán)境，順利抵置服役的飛行器子系統(tǒng)，熱防護(hù)材料是其中最主要的功能材料。熱防護(hù)材優(yōu)劣會(huì)直接決定飛行任務(wù)成敗。隨著深空探測(cè)等活動(dòng)的興起，對(duì)熱防護(hù)材保形能力、輕量化、高效防熱、長(zhǎng)時(shí)服役能力提出了更高的要求。因此研密度、高焓值、適用于長(zhǎng)時(shí)氣動(dòng)加熱的熱防護(hù)材料具有極其重要的意義[4-1 是可重復(fù)使用熱防護(hù)材料和燒蝕熱防護(hù)材料各自適用的再入軌道匯總圖

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文度很高，這要求防熱材料具有更低的比重，以提高飛船整體的有效質(zhì)量為此，美國(guó)研制了 Avcoat-5026 燒蝕材料，Avcoat-5026 燒蝕材料也屬于彈性復(fù)合材料，圖 1-2 為大尺寸 Avcoat-5026 燒蝕材料燒蝕前后的宏觀C325/HC 不同的是，Avcoat-5026 使用環(huán)氧改性酚醛樹脂代替硅橡膠作為粘接劑，填料中也添加了二氧化硅空心微球等功能性填料，，同時(shí)改用玻璃為復(fù)合材料的支撐結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上看，Avcoat-5026 相較之前有了更低的.55g/cm3）、更低的熱導(dǎo)率以及更高的強(qiáng)度和抗剪能力，從燒蝕機(jī)理上，A6 燒蝕過程中，除了熱阻塞效應(yīng)之外，還引入了反向輻射散熱，因而具有熱效率，可靠性更高。上世紀(jì) 90 年代，Avcoat-5026 被選作新一代飛船“載人探測(cè)飛船防熱大底的燒蝕材料，并于 2014 年完成首次探索飛行測(cè)試[14-3 是“獵戶座”載人探測(cè)飛船的防熱大底燒蝕前后宏觀形貌。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB332;V258.3

【參考文獻(xiàn)】

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2 鄒軍鋒;李文靜;劉斌;詹萬初;趙英民;;飛行器用熱防護(hù)材料發(fā)展趨勢(shì)[J];宇航材料工藝;2015年04期

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4 王春明;梁馨;孫寶崗;譚朝元;孫紅衛(wèi);;低密度燒蝕材料在神舟飛船上的應(yīng)用[J];宇航材料工藝;2011年02期

5 張春梅;杜華太;龐明磊;周義;;柔性燒蝕材料研究進(jìn)展[J];特種橡膠制品;2010年04期

6 葉培建;鄧湘金;彭兢;;國(guó)外深空探測(cè)態(tài)勢(shì)特點(diǎn)與啟示(上)[J];航天器環(huán)境工程;2008年05期

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