石英纤维增强低密度酚醛复合材料的制备及性能研究

发布时间：2020-03-31 03:03

【摘要】：进入21世纪以来,世界各大强国陆续提出规模庞大的月球、火星以及远地行星探测计划,掀起了开展深空探测的浪潮。深空探测飞行器对热防护材料的气动保形能力,轻量化,高效防热,长时服役能力提出了更高的要求。本文针对新型轻质烧蚀防热材料的长时间服役要求,在课题组已有的基础上进一步研究和改进传统轻质石英纤维增强低密度酚醛复合材料的不足,以甲基三甲氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷两种硅烷共改酚醛气凝胶作为基体相、石英纤维三维预制体为增强相,制备出一种新型防/隔热一体化石英纤维增强低密度酚醛复合材料,并对硅烷改性酚醛气凝胶、石英纤维预制体及NQF/Si-PR复合材料进行了材料体系设计、微观结构调控以及性能测试。较深入的研究了NQF/Si-PR复合材料经高温热解碳化后的结构演变以及热物理性能、力学性能的变化规律。采用酚醛树脂为基体、六亚甲基四胺为催化剂、乙二醇为溶剂和造孔剂、甲基三甲氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷作为改性剂的前驱体溶液,通过溶胶-凝胶聚合法、常温溶剂替换以及常压干燥成功制备了硅烷改性酚醛气凝胶。Si-PR气凝胶是由纳米尺寸的凝胶颗粒相互堆积成空间三维网络结构,在气凝胶内部具有凝胶颗粒和孔隙双连续的特征。硅烷改性剂的加入,促使PR气凝胶的凝胶颗粒尺寸出现分级,分化出尺寸更小的纳米颗粒,改善了气凝胶孔径分布和孔结构,提高复合材料的比表面积。成功将Si-O-C和Si-O-Si等高健能基团引入到酚醛气凝胶的长链结构中,有效的改善了酚醛气凝胶的热稳定性。以石英纤维针刺毡作为增强材料,采用浓度分别为5%、10%、15%以及20%的酚醛树脂稀溶液通过浸渍、烘干与固化工艺制备出刚性石英纤维预制体(NQF);以石英纤维预制体为增强相,Si-PR气凝胶为浸渍相和基体相,采用真空辅助浸渍、溶胶-凝胶聚合反应等方法合成NQF/Si-PR气凝胶复合材料。实验结果表明石英纤维预制体和气凝胶复合材料的力学性能都随着酚醛粘接剂浓度的提高而提高。对NQF/Si-PR气凝胶复合材料分别在RT、400℃、600℃、800℃、1000℃以及1200℃进行高温处理。结果表明复合材料随着热处理温度的升高,酚醛碳化程度逐渐增加,微观孔径逐渐增大,孔体积增加,比表面积下降。化学状态上,随着热处理温度的提高,复合材料中依次发生亚甲基(-CH2-)、芳环上C-H键以及CH键等化学键的断裂,材料内部交联结构逐渐破坏,不断释放CH4、H2、苯酚等小分子,碳化程度逐渐升高。力学性能分析表明,复合材料的常温压缩性能随着温度的升高而呈现出下降的趋势。高温拉伸性能分析表明,原始气凝胶复合材料在拉伸过程中的存在两段近弹性变形,分别对应于原始复合材料和气凝胶破坏后重新取向的石英纤维簇,复合材料的断裂也被认为是许多微观的石英纤维断裂的耦合效果。碳化后复合材料的拉伸强度随温度升高也呈下降趋势,在400℃、700℃存在小幅的升高,原因是在该温度条件下,材料内部气凝胶结构力学性能急剧下降,导致复合材料XY面内方向的纤维布朝向外加载荷方向旋转,石英纤维的一致取向小幅提高了复合材料的拉伸强度和拉伸模量。导热性能分析结果表明NQF/Si-PR气凝胶复合材料的热导率有随着温度升高不断升高的趋势,且在相同温度下CM-RT的热导率较CM-1200略低。
【图文】：

热防护材料,再入轨道,材料,深空探测

进入 21 世纪以来，世界各大强国陆续提出规模庞大的月球、火星以及远测计划，掀起了开展深空探测的浪潮[1]。深空探测是在地球卫星以及载人重大成就的基础上，人类向更广阔的宇宙探索重要手段，它既是当今世界性且最具影响力的领域，又是全世界众多学术领域中最先进的高精尖技耦合。深空探测的水平能够直接体现了一个国家的综合实力和创新水平，国家安全、提升综合国力以及国际影响力有着极为深远的意义[2,3]。飞行器以高马赫数（Ma＞5）在大气层中飞行穿越的过程中，需要承受极气动热环境，该气动热环境具有热流密度高、总加热量大、时间长、一定载等特点。飞行器的热防护系统是保证飞行器能够通过严苛环境，顺利抵置服役的飞行器子系统，热防护材料是其中最主要的功能材料。热防护材优劣会直接决定飞行任务成败。随着深空探测等活动的兴起，对热防护材保形能力、轻量化、高效防热、长时服役能力提出了更高的要求。因此研密度、高焓值、适用于长时气动加热的热防护材料具有极其重要的意义[4-1 是可重复使用热防护材料和烧蚀热防护材料各自适用的再入轨道汇总图

宏观形貌,烧蚀,烧蚀材料,宏观照片

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文度很高，这要求防热材料具有更低的比重，以提高飞船整体的有效质量为此，美国研制了 Avcoat-5026 烧蚀材料，Avcoat-5026 烧蚀材料也属于弹性复合材料，图 1-2 为大尺寸 Avcoat-5026 烧蚀材料烧蚀前后的宏观C325/HC 不同的是，Avcoat-5026 使用环氧改性酚醛树脂代替硅橡胶作为粘接剂，填料中也添加了二氧化硅空心微球等功能性填料，，同时改用玻璃为复合材料的支撑结构。从结构上看，Avcoat-5026 相较之前有了更低的.55g/cm3）、更低的热导率以及更高的强度和抗剪能力，从烧蚀机理上，A6 烧蚀过程中，除了热阻塞效应之外，还引入了反向辐射散热，因而具有热效率，可靠性更高。上世纪 90 年代，Avcoat-5026 被选作新一代飞船“载人探测飞船防热大底的烧蚀材料，并于 2014 年完成首次探索飞行测试[14-3 是“猎户座”载人探测飞船的防热大底烧蚀前后宏观形貌。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332;V258.3

【参考文献】