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摘 要

随着航空航天飞行器的飞行速度越来越快、持续飞行时间越来越久，对高温热防护材料的要求也越来越高。在高性能、轻质化的先进热防护材料需求背景下，纤维增强酚醛树脂基复合材料表现出力学性能优越，高温条件下具有耐烧蚀、力学性能损失较少等优点，在航空航天领域备受青睐，应用广泛。

本文主要总结分析了不同种类（高硅氧纤维、石英纤维、碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、酚醛纤维）、不同编织形式（2D、2.5D、3D结构织物）的纤维织物对改性酚醛树脂基复合材料的耐烧蚀性能与力学性能的影响，探讨其优缺点，分析其烧蚀性能及力学性能的增强机制。同时也分析了其他因素（如成型工艺、增强体改性、树脂改性、温度、压力、时间等）对纤维增强酚醛树脂基复合材料的性能影响并结合社会、健康、安全、成本以及环境等因素综合分析不同种类及编织形式纤维增强的酚醛基复合材料在航空航天领域的应用。

关键词：纤维增强酚醛树脂基复合材料；热防护；耐烧蚀性;力学性能

Abstract

With the development of aerospace vehicle, the requirement of high temperature thermal protection materials is higher and higher. In the background of high-performance and light-weight advanced thermal protection materials, fiber-reinforced phenolic resin matrix composite has the advantages of superior mechanical properties, ablation resistance and less loss of mechanical properties under high temperature conditions, which is widely used in the field of aerospace.

This paper mainly summarizes and analyzes the influence of different kinds of fiber fabrics (high silica fiber, quartz fiber, carbon fiber, basalt fiber, glass fiber, phenolic fiber) and different woven forms (2D, 2.5D, 3D structure fabric) on the ablative energy and mechanical properties of modified phenolic resin matrix composite, discusses its advantages and disadvantages, analyzes its ablative performance and the increase of mechanical properties Strong mechanism. At the same time, the influence of other factors (such as molding process, reinforcement modification, resin modification, temperature, pressure, time, etc.) on the performance of fiber-reinforced phenolic resin matrix composite was analyzed. The application of different types and woven fiber-reinforced phenolic composite in aerospace field was analyzed in combination with social, health, safety, cost and environmental factors.

Key words: Fiber reinforced phenolic resin matrix composite, thermal protection, ablation resistance，physical properties

目录

第1章 绪论 1

1.1课题背景及研究意义 1

1.2国内外研究现状 1

第2章 纤维种类对酚醛基树脂复合材料的性能影响 3

2.1 酚醛树脂基热防护材料常用的增强纤维 3

2.1.1 高硅氧纤维 3

2.1.2 石英纤维 3

2.1.3 碳纤维 4

2.1.4 玄武岩纤维 4

2.1.5 玻璃纤维 4

2.1.6 酚醛纤维 5

2.2纤维种类对材料的耐烧蚀性能和力学性能分析 5

2.2.1以碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维为增强体 5

2.2.2以碳纤维、高硅氧纤维、玻璃纤维为增强体 7

2.2.3以高硅氧纤维、玻璃纤维混编、石英纤维混编为增强体 7

2.3 纤维增强酚醛树脂材料的性能增强作用 8

2.3.1 纤维种类对物化性能的影响 8

2.3.2 不同种类的纤维耐烧蚀性能的增强过程 8

第3章 纤维编织类型对材料的性能影响 10

3.1 纤维的编织类型 10

3.1.1 二维编织物 10

3.1.2 三维编织物 10

3.1.3 2.5D编织物 10

3.2 不同编织类型下材料的力学性能和耐烧蚀性能分析 11

第4章 影响纤维增强酚醛树脂复合材料性能的其他因素 13

4.1酚醛树脂的改性 13

4.2增强纤维的改性 14

4.3 纤维含量 15

4.4 成型工艺 15

第五章 结论与展望 17

参考文献 18

致谢 20

第1章 绪论

1.1课题背景及研究意义

在先进飞行器的研发过程中，高速飞行下的气动热环境是影响飞行器热防护寿命的关键问题^[1]。在超高速飞行过程中，空气与机体之间存在强烈的压力及摩擦作用，致使飞行器周身温度骤升，在机身表面形成高温高压的热流场，若热防护不得当，会使得高温热流进入机体内部破坏材料结构和性能，因而在气动热流的作用下，飞行器的性能和寿命会受到极大影响。故解决先进飞行器超高速移动下的热防护问题，是具有十分重要的意义的。

目前航空航天应用较多的热防护材料是烧蚀热防护材料。在热防护区安置烧蚀材料，气动热流下通过材料的烧蚀，以质量损失的代价带走了大部分的气动热，平衡了大部分气动力，同时伴随的吸热反应和辐射现象也提高了热防护效应。具有代表性的有纤维增强酚醛树脂复合材料，其烧蚀性能优越、物理力学性能良好、工艺性好、成本也低。按增强纤维的不同，可分为玻璃纤维/酚醛树脂复合材料、高硅氧纤维/酚醛树脂复合材料、石英纤维/酚醛树脂复合材料、碳纤维/酚醛树脂复合材料、玄武岩纤维/酚醛树脂复合材料等，为了更好提高热防护材料在特定温度场、压力场下的热防护作用，也往往对增强纤维的种类和型号以及编织形式进行合理选择，这同时伴随着纤维和树脂的改性处理。在航天航空飞行器日益走向超高速、轻质化、高防护的需求背景下，热防护材料具有十分广阔的应用前景，可用于航空探测器大面积的防热及高速飞行器表面热防护材料，如大面积防热套、防热环、防热塞、密封垫，外筒及其组件等。

本课题基于上述背景提出，调研不同种类、不同编织形式以及不同纤维含量对改性酚醛树脂基复合材料耐烧蚀性能与力学性能的影响，探讨其优缺点，分析其烧蚀性能及力学性能的增强机制。同时也分析了其他因素（如成型工艺、增强体改性、树脂改性、温度、压力、时间等）对纤维增强酚醛树脂基复合材料的性能影响；并结合社会、健康、安全、成本以及环境等因素综合分析不同种类及编织形式纤维增强的酚醛基复合材料在航空航天领域的应用。

1.2国内外研究现状

在航空航天领域，耐烧蚀材料尽管有不能重复使用的劣势，但在较高的气动热、力场下，其使用安全性、可靠性高；特别是纤维增强改性酚醛树脂复合材料，其成本不高，可适应的工作温度范围也广。在上世纪中，NASA的空间探测器所采用的热防护材料大部分都采用了纤维增强酚醛树脂复合材料，例如20世纪60年代的水星号飞船采用的热防护结构是高密度玻璃钢增强酚醛树脂复合材料，以斜切布块手糊成型；20世纪90年代的木星探测器－伽利略号飞船和金星探测器－先行者号则采用碳/酚醛材料用作防热层；21世纪后，火星探测器 ＭＳＬ和“星尘号”探测器的返回舱上应用了PICA材料，这种材料是由多孔的碳纤维预制体浸渍酚醛树脂而成，具有比强度高、烧蚀率低、热导率低等优点，值得提出的是，其集耐烧蚀性和隔热性于一体的特点，使得其成为众多航空航天测飞行器的优选的大面积热防护结构材料。几种典型的航空航天探测器所使用的热防护材料在表1-1列出^[2]。

表 1-1 航空航天探测器所使用的热防护材料

国内外学者对纤维增强酚醛树脂复合材料的耐烧蚀性能和力学性能研究和开发做了大量的工作，研发和改进了一系列型号的纤维种类，包括高强度玻璃纤维，碳纤维，高硅氧纤维，玄武岩纤维，酚醛纤维等，以及其他改性酚醛树脂，例如硼酚醛树脂(FB)、钼酚醛树脂、磷酚醛树脂、高残碳酚醛等。在纤维编织类型上，也开发应用了2维、2.5维、3维结构的纤维增强预制体。针对上述内容，我在之后章节一一总结叙述，同时对不同纤维增强酚醛树脂复合材料的热学性能和力学性能进行了分析探讨，为纤维增强酚醛树脂基复合材料的后续应用和进一步开发提供参考思路。

第2章 纤维种类对酚醛基树脂复合材料的性能影响

2.1 酚醛树脂基热防护材料常用的增强纤维

在各类烧蚀材料中，用纤维增强的酚醛树脂基复合材料在吸热效果上是比较占优势的，与其他黑色金属，有机金属（如铜，铍及其合金等）相比，热容反应和辐射所带来的吸热效果高出20倍不止，而与无机物相比较，纤维本身力学强度所带来的热防护材料良好的力学性能是其不能企及的。故纤维增强酚醛树脂基复合材料广泛应用于各类高温环境下的热防护领域。常用的增强纤维有高硅氧纤维、石英纤维、玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维、酚醛纤维等。

2.1.1 高硅氧纤维

高硅氧纤维是一种硅含量超过了96%高纯度玻璃纤维，因而具有优良的耐高温、耐烧蚀性能和力学性能，其生产方法可用沥取法生产；采用高硅氧纤维做酚醛树脂的增强材料，因其Si-O键键能较大且二氧化硅熔点超过1500度，热导率较低（1. 65 g/cm³），可大大提高酚醛基树脂复合材料的热防护性能，在航空航天领域常常用于各类高速飞行器热防护系统及发动机喷管的耐烧蚀材料和长时间飞行隔热层。

时胜波^[3]用高硅氧纤维布和酚醛树脂层铺制备了高硅氧纤维增强酚醛树脂复合材料进行氧乙炔烧蚀实验，测量试样的线烧蚀率以及记录试样内外表面温度。一般而言，线烧蚀率越低，试样的耐烧蚀性能越好，内外表面温度相差越大，隔热性能越好。实验测量线烧蚀率为0.2159mm/s, 烧蚀表面处的温度为 2419 ℃，而同时材料背面处的温度为 73℃，说明材料的烧蚀性能和隔热性能良好。

2.1.2 石英纤维

石英纤维是由纯度非常高的二氧化硅（二氧化硅含量高于99%）或天然石英晶体制成的无机纤维，在高温热流下具有良好的耐侵蚀性和耐热性，可长期在1000℃的工作温度下使用，瞬时耐高温可达1700℃。作为复合材料的增强体，若与高硅氧纤维作比较，它的热学性能更加优越，在高温条件下吸热效果更佳。如表2-1所示^[4]。

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