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随着科技的发展,航天飞行器飞行速度明显加快,飞行距离和时间更长。对于高马赫数、长时间飞行的航天飞行器,热防护材料在整个飞行器性能的提升方面显得尤为重要。近年来,可陶瓷化硅橡胶复合材凭借着独特的优点被广泛用于航天飞行器发动机的热防护领域。本课题主要研究和制备了一种纤维增强低密度可陶瓷化硅橡胶复合材料,并对该复合材料的物理性能、硫化特性、抗烧蚀性等进行了分析与讨论,研究了在高温下的热分解反应与陶瓷化反应机理;通过添加不同的纤维,研究了纤维种类、含量对陶瓷化效果、力学特性和结构整体性以及陶瓷化过程中的微观结构演变的影响;此外,通过发泡的技术方式在可陶瓷化复合材料中引入低密度组份,降低复合材料的导热系数,制备了防隔热一体化热防护复合材。首先,采用石墨和ZrSi2作为成瓷填料,制备了具有不同ZrSi2含量的可陶瓷化硅橡胶（ZrSi2/MVSR）复合材料。ZrSi2粉体颗粒与硅橡胶之间属于物理混合,ZrSi2的添加提高了ZrSi2/MVSR复合材料密度,由1.28 g/cm3增加到1.51 g/cm3。随着ZrSi2添加量的增加,ZrSi2/MVSR复合材料拉伸强度先增大后减小,断裂伸长率逐渐减低,永久变形增大,在最佳添加量30 phr时,拉伸强度是5.08 MPa,断裂伸长率为364.3%,永久变形为5.24%。ZrSi2的添加使ZrSi2/MVSR复合材料的导热系数由0.553 W/（m·K）增加到0.694 W/（m·K）,此外复合材料的导热系数随温度的升高而降低。ZrSi2的添加提高了ZrSi2/MVSR复合材料的玻璃化转变温度,降低了低温柔性。热分析结果表明ZrSi2的添加对复合材料在氮气中的初始分解温度有所提高,由473.5℃提高到490.2℃,对分解峰值温度影响较小,此外对空气中的热稳定性影响很小。ZrSi2降低了复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率,当添加量为30 phr时,ZrSi2/MVSR复合材料的线烧蚀率是0.055 mm/s,质量烧蚀率是0.054 g/s,相比于未添加ZrSi2的复合材料分别降低了56.7%和37.2%。第二,通过ZrSi2/MVSR复合材料热分解反应过程和陶瓷化反应机制的分析,热分解温度随着升温速率的升高而增加,但是最终的热分解产物残留率没有发生改变,并根据不同热分解速率下峰值分解温度的不同得到ZrSi2/MVSR复合材料的热分解反应动力学方程。在热分解过程中,主要发生了硅橡胶的热裂解,分子链发生了断裂和重排,生成了大量的烷烃类物质和低聚硅氧烷。在陶瓷化转变中发生了十分复杂的热化学反应,在有氧条件下,复合材料各组份均发生了氧化反应,并且在贫氧区生成的陶瓷产物也最终被氧化,最后形成了含Zr-Si-O-C的复相陶瓷产物。在烧蚀产物微观结构中,陶瓷化产生的保护层较为致密,对外界热流和氧化性气氛有很好的阻隔作用,并提高了复合材料的抗冲刷性能。此外,ZrSi2/MVSR复合材料在烧蚀过程中由烧蚀表面向内形成了陶瓷层、热解层、原始层的多层烧蚀结构,各层之间没有明显的界面,随着温度的变化逐渐转变。第三,采用芳纶浆粕（AF）、短切碳纤维（CF）、短切氧化锆纤维（Zr F）和短切高硅氧纤维（Si F）作为增强材料制备了含纤维的ZrSi2/MVSR复合材料。AF对ZrSi2/MVSR复合材料的硬度影响较大,添加10 phr之后,复合材料的硬度由70.5增加到85。AF的添加降低了ZrSi2/MVSR复合材料的拉伸性能,但随着含量的增加,拉伸强度先变大后减小,断裂伸长率和永久变形一直降低,添加量为8 phr时拉伸强度最大为4.68 MPa,此时断裂伸长率和永久变形分别为90.2%、3.7%。四种等含量纤维中AF填充复合材料拉伸强度较大,断裂伸长率最小,而CF填充复合材料永久变形最小。短纤维的加入提高了ZrSi2/MVSR复合材料的导热系数,其中添加8 phr CF的ZrSi2/MVSR复合材料导热系数最大,为0.81 W/（m.K）,添加芳纶浆粕的复合材料导热系数最小,为0.68 W/（m.K）。AF的加入降低了ZrSi2/MVSR复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率,并且在四种纤维中AF对复合材料抗烧蚀性的改善最好。添加8 phr AF后,线烧蚀率是0.035 mm/s,质量烧蚀率是0.036 g/s,分别降低了36.3%和33.3%。微观结构显示AF在烧蚀产物中缠结穿插,对复合材料的抗冲刷性能有较大的提高。第四,通过对石英纤维布（QC）、碳纤维布（CC）和高硅氧纤维布（HSi C）对AF/ZrSi2/MVSR复合材料力学性能、抗烧蚀性及微观结构演变的研究,发现QC的增强效果较好,复合材料的拉伸强度为5.63 MPa,提高了约20.3%,断裂伸长率为27.8%,永久变形为2.12%。CC对AF/ZrSi2/MVSR复合材料导热系数的增加影响较大,为0.737 W/（m.K）。QC可有效降低复合材料的烧蚀率,线烧蚀率是0.012mm/s,质量烧蚀率是0.022 g/s,相比于复合材料SRA4降低了65.7%和38.9%。而加入CC和HSi C后,复合材料的线烧蚀率分别为0.015 mm/s和0.027 mm/s,质量烧蚀率分别为0.022 g/s和0.031 g/s。微观结构表明,石英纤维布所形成的烧蚀结构更致密,对热量和氧气的侵蚀屏蔽作用更好,纤维布与AF在复合材料烧蚀过程中分别起着网络化增强和弥散增强的作用,两者的结合大幅提高了复合材料的抗烧蚀、抗气流冲刷性能。复合材料高温热解产物弯曲强度表明QC对热解产物弯曲强度的提高更明显,达到了14.38 MPa,而CC和HSi C降低了热解产物的弯曲强度,分别为9.01 MPa和12.62 MPa。最后,采用可膨胀微球发泡的方法制备了纤维增强低密度可陶瓷化硅橡胶复合材料（AFF/ZrSi2/Frits/MVSR）,Frits的添加降低了AF/ZrSi2/MVSR复合材料的热稳定性,热分解残留物质量增加,并且提高了不同温度下热解残留物的弯曲强度,并形成了具有一定机械强度的自支撑陶瓷结构。可膨胀微球的添加大幅降低了AFF/ZrSi2/Frits/MVSR复合材料的密度与硬度。经分析,可膨胀微球的最佳用量为6 phr,此时自由发泡的复合材料密度为0.521 g/cm3,受限发泡的复合材料导热系数为0.328 W/（m.K）,压缩模量为1.26 MPa。从微观结构中得到可膨胀微球在复合材料中尺寸分布不均匀,直径约50-80μm,球壳与硅橡胶的基体存在明显的界面,微球在发泡过程中的膨胀受到复合材料体系较大的限制。可膨胀微球的添加提高了AFF/ZrSi2/Frits/MVSR复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率,当最佳添加量为6phr时,复合材料的线烧蚀率是0.031 mm/s,质量烧蚀率是0.043 g/s。从低密度AFF/ZrSi2/Frits/MVSR复合材料烧蚀产物的微观结构中可以看出烧蚀表面存在较多的烧蚀凹坑,凹坑周围形成了比较致密的陶瓷保护结构,Frits在烧蚀过程中的熔融为陶瓷化反应提供较好的液相环境,提高了烧蚀产物的机械强度和致密性,改善了复合材料的抗冲刷性能。