BPFR基耐烧蚀复合材料的制备及其热裂解行为研究

发布时间：2020-02-01 07:24

【摘要】：树脂基耐烧蚀材料是一种依靠聚合物发生热氧化裂解造成质量损失的同时吸收热量来满足热防护要求的耐烧蚀材料。硼酚醛树脂(BPFR)因其高残炭率和低烧蚀速率,成为优良的耐烧蚀复合材料基体。随着航空航天等领域飞速发展,耐烧蚀材料的使用温度上限越来越高,对BPFR的耐热改性显得非常迫切。目前的改性研究主要集中在提高BPFR基复合材料有机结构的热分解温度,但是BPFR有机结构的耐热温度有限,未能形成实质性的突破。本研究创新性地选择B2O3和B4C作为增强相来保护BPFR热裂解形成的无机结构来提高其耐烧蚀温度,分温度段提高BPFR基复合材料的温度稳定性和力学性能,并通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)表征材料微观结构随温度变化的关系,深入分析材料在各个温度段的热裂解机理和B2O3、B4C改性的微观机制。研究结果表明BPFR热裂解后力学性能劣化严重,经过600℃、800℃、1000℃热处理后的抗弯强度仅为3.1MPa、4.3MPa、1.9MPa;添加B2O3的改性效果主要体现在600℃~800℃,当B2O3含量为40wt.%时,其力学性能最佳,经过600℃、800℃、1000℃热处理后,抗弯强度分别为14.7MPa、15.7MPa、8.0MPa;添加B4C的改性效果主要体现在800℃及以上,B4C含量为20wt.%时其力学性能最佳,经过600℃、800℃、1000℃热处理后,其抗弯强度分别为7.9MPa、30.1MPa、24.4MPa。选择B2O3和B4C共同添加,含量均为10wt.%,经过600℃、800℃、1000℃热处理后抗弯强度分别为15.8MPa、33.1MPa、33.2MPa,每个温度下与纯BPFR相比都有较大改善,表明B2O3和B4C可以分温度段提高BPFR的高温稳定性和力学性能。BPFR/B2O3/B4C复合材料经热处理后的抗弯强度一直处于较高水平,本研究发现在600~800℃温度区间主要是熔融B2O3填补树脂基体裂解形成的孔洞和裂纹,并包裹部分活性基团,增强了其力学性能和抗氧化能力;当温度在800℃及以上时,B2O3流失严重,其改性效果不明显,此时B4C一方面在材料表层氧化生成B2O3,形成保护层,阻止氧气进入材料内部,另一方面在材料内部与热裂解形成的无定形炭形成较为致密的整体,起到颗粒增强的作用,提高了复合材料的力学性能。
【图文】：

烧蚀模型,防热复合材料,树脂基,烧蚀机理

图 1-1 树脂基防热复合材料的烧蚀模型-1 Ablation model of resin based heat-resistant com蚀材料是一类重要的的高性能高温材料，其结烧蚀，烧蚀机理如图 1-1 所示[5]。在温度升高的

硼酸酯,法制,硼酚醛树脂

然后与硼酸发生脱水缩合反应生成硼酚醛树脂。该方法与硼酸酯法相比有更好的可控性，能快速生产质量稳定的硼酚醛树脂，所以该方法被广泛应用于大批量生产硼酚醛树脂产品。这两种方法基本反应过程如图1-2和图1-3所示。（3）有机硼化物改性酚醛树脂制备BPFR，，包括硼硅氧烷化合物（BSi）[11]、双（苯并-1,3,2-二恶硼烷基）氧化物[12,13]、双（4,4,5,5-四甲基-1
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33

【参考文献】