酚醛树脂浸渍碳纤维三维编织体的成型与烧蚀行为研究

论文摘要

酚醛浸渍碳纤维烧蚀体(PICA)是一种新型低密度、低热导率和低烧蚀量的防热复合材料,能够应用于高热流、高温等极端环境下飞行器大面积防热系统。本文以硼改性酚醛树脂为基体,以碳纤维三维编织体为增强体,利用常压和真空浸渍两种工艺,制备了PICA材料。通过测量酚醛树脂的表面张力以及与碳纤维单丝的润湿性,从理论上证明了材料制备的可行性。利用酚醛树脂固化过程的DSC分析,制定了制备材料的树脂固化工艺。考察了酚醛树脂从室温至1100℃的热重分析。测量了PICA制品的密度及孔隙率,分析了浸渍工艺和编织体密度对制品的密度和孔隙率的影响。测试了制品的压缩力学性能和烧蚀性能,利用氧乙炔烧蚀试验考核了酚醛浸渍碳纤维编织体材料的抗烧蚀性能。分析了编织体密度对力学性能和烧蚀性能的影响。利用SEM分析了烧蚀前后试样的微观组织形貌。实验结果表明,随着温度的升高,酚醛树脂溶液的表面张力增大,树脂与纤维的接触角减小,两者表现出较好的润湿性,证明了材料制备完全可行。在室温至550℃的较低温度区间里面,只释放出溶剂以及小分子物,树脂质量损失较小。在550℃至1100℃的温度区间,树脂主要发生氧化反应,质量损失严重。根据DSC分析结果,制定了180℃为固化峰值温度。对于相同的纤维编织体,浸渍时间对制品密度和孔隙率基本没有影响,而经过预压紧、超声波振荡和真空浸渍得到制品,其密度提高,孔隙率有所下降。可以得到碳纤维编织体密度对最终制品密度影响较大。随着编织体密度增大,制品密度增大,两者基本成正比关系。随着编织体密度的增加,应变量增大,应力增加。最大压缩应力出现在编织体密度最大的C系列制品中,为169.5Mpa。而对于编织体密度较大的B、C系列的试样,其质量烧蚀率和线烧蚀率均较小。编织体密度较小的A、D系列试样,其在烧蚀过程中背温较高,而对于编织体密度较大的B、C系列试样的背温较低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 烧蚀复合材料国内外研究进展
• 1.2.1 烧蚀材料的发展及其分类
• 1.2.2 PICA 的结构特点及性能
• 1.2.3 Avcoat 材料
• 1.2.4 碳酚醛
• 1.2.5 碳-碳复合材料
• 1.3 聚合物基烧蚀复合材料
• 1.3.1 酚醛树脂基体
• 1.3.2 碳纤维增强体
• 1.3.3 防热复合材料烧蚀机理及评价方法
• 1.3.4 防热复合材料烧蚀性能的提高方法
• 1.4 本课题研究的内容与意义
• 第2章 实验原理和方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验中制备 PICA 所用原料及设备
• 2.2.1 增强体选择
• 2.2.2 基体酚醛树脂的选择
• 2.2.3 PICA 成型所用的设备
• 2.3 PICA 的制备工艺流程
• 2.4 实验方法
• 2.4.1 树脂表面张力以及与碳纤维润湿性实验
• 2.4.2 差示扫描量热分析（DSC）实验
• 2.4.3 制品密度的测量
• 2.4.4 压缩力学性能测试
• 2.4.5 扫描电子显微镜（SEM）观察
• 2.4.6 热重分析（TG）
• 2.4.7 烧蚀性能测试
• 第3章 工艺制度的制定以及PICA 的制备成型
• 3.1 引言
• 3.2 酚醛树脂溶液表面张力
• 3.3 酚醛树脂溶液与碳纤维单丝润湿性
• 3.4 酚醛树脂固化过程的 DSC 差热分析
• 3.5 真空浸渍工艺
• 3.6 酚醛树脂的固化机理
• 3.7 本章小结
• 第4章 PICA 的压缩力学性能及其微观结构
• 4.1 引言
• 4.2 PICA 制品密度和孔隙率的影响因素
• 4.3 PICA 的压缩力学性能
• 4.4 PICA 制品微观形貌分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 PICA 烧蚀性能实验
• 5.1 引言
• 5.2 氧乙炔烧蚀实验
• 5.2.1 PICA 烧蚀机理
• 5.2.2 烧蚀实验过程
• 5.3 氧乙炔烧蚀实验结果
• 5.3.1 试样的质量烧蚀率
• 5.3.2 试样的线烧蚀率
• 5.3.4 试样在烧蚀过程中背面温度
• 5.3.5 烧蚀前后试样的宏观及微观组织形貌变化
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢