【摘 要】
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低密度烧蚀材料是现代航天工业体系中重要且不可或缺的部分,低密度烧蚀材料隔热性能良好,但因其缺少耐高温抗烧蚀组分,在越发严苛的使用环境中,材料抗烧蚀性能显现疲态。本文针对石英纤维/酚醛（NQF/PR）轻质烧蚀材料,采用基体相梯度化结构设计,使用改性酚醛树脂与石英纤维毡作为表面致密层,酚醛气凝胶与纤维毡作为内部轻质层,实现防热性能与隔热性能分区,在增强材料抗烧蚀性能的同时,兼具轻量化与隔热性能。采用K
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低密度烧蚀材料是现代航天工业体系中重要且不可或缺的部分,低密度烧蚀材料隔热性能良好,但因其缺少耐高温抗烧蚀组分,在越发严苛的使用环境中,材料抗烧蚀性能显现疲态。本文针对石英纤维/酚醛（NQF/PR）轻质烧蚀材料,采用基体相梯度化结构设计,使用改性酚醛树脂与石英纤维毡作为表面致密层,酚醛气凝胶与纤维毡作为内部轻质层,实现防热性能与隔热性能分区,在增强材料抗烧蚀性能的同时,兼具轻量化与隔热性能。采用KH560、甲基三甲氧基硅烷及二甲基二乙氧基硅烷为Si改性剂,八水氯氧化锆及乙酰丙酮为Zr改性剂,通过水浴加热、恒温搅拌制备了Si改性树脂及Zr改性树脂,并将两种改性树脂按不同比例混合,制备出共混改性树脂。红外与XPS分析表明,改性剂与酚醛树脂间形成化学键连接,共混树脂间通过氢键连接。1000℃氩气气氛中,Si-45改性树脂及Zr-45改性树脂质量残留率最高。采用浸渍渗透工艺,在固化后获得表面增强纤维毡,使用酚醛气凝胶前驱体浸渍表面增强纤维毡,固化后获得梯度化复合材料。NQF/PR-Si复合材料密度为0.331 g/cm~3-0.341 g/cm~3,孔隙率为78.49%-79.82%,NQF/PR-Zr复合密度为0.322g/cm~3-0.335 g/cm~3,孔隙率为孔隙率在79.44%-80.87%,NQF/PR-Zr/Si复合材料密度为0.325 g/cm~3-0.333 g/cm~3,孔隙率为76.16%-76.62%,材料保持低密度及高孔隙率。通过力学测试发现,梯度化结构设计在拉伸、压缩及弯曲测试中对NQF/PR复合材料的强度及模量都有极大提升。采用丁烷火焰与加热台测试材料隔热性能。在高温（表温1000℃）环境中考核300s后,梯度化结构设计的复合材料背温上升10℃-15℃;在中温（加热台200℃）条件下,梯度化复合材料背温上升8℃-10℃。梯度化材料凭借轻质层酚醛气凝胶基体及表面致密层质量引射,具备良好的隔热性能。采用氧-乙炔火焰模拟高温烧蚀环境,对材料烧蚀性能进行考核。在树脂中改性剂含量越高,共混树脂中Si改性树脂比例更高时,材料具有更优秀的抗烧蚀性能。烧蚀时Si改性树脂形成Si液膜,并形成Si O2晶体;Zr改性树脂形成无定形锆氧化物在表面形成反向热辐射;共混树脂在生成无定形锆氧化物的同时,形成Si液膜,能有效减少热反射基元的消耗并阻挡热量和气流。对NQF/PR复合材料进行梯度化设计能有效降低烧蚀后退,获得更优秀的热防护性能。
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