酚醛浸渍碳烧蚀材料是一种新型低密度、低热导率和微烧蚀、碳化型、防隔热一体化碳/酚醛材料,能够应用于高焓值、中高热流密度、低驻点压力和长再入时间的升力或半弹道式再入航天器的热防护系统。用于热防护的树脂材料具有成型性好、抗冲击性能好等特点,但高温热稳定性不佳;而用于热防护的陶瓷类材料具有优异的抗高温性能,但是具有本征脆性。本文利用有机-无机杂化的思想,将碳化硅陶瓷颗粒均匀分散在树脂体系中,以热固性酚醛树脂为浸渍相,碳粘结碳纤维复合材料为骨架,利用超声波辅助分散结合真空浸渍工艺,制备了碳化硅改性的酚醛浸渍碳烧蚀材料,以此最大限度地发挥有机和无机两种材料的优势。本试验预先对碳化硅粉体进行处理,提高其反应活性。在乙二醇溶剂环境中,使用硅烷偶联剂KH-550为桥梁在处理后的粉体颗粒与酚醛树脂分子链之间形成接枝。经过常压干燥固化,制备了块状酚醛树脂。通过扫描电子显微镜观察,改性前的酚醛树脂具有三种典型结构:由相对细的颈部连接颗粒类似珍珠项链的松散的网络结构、由相对粗的颈部连接颗粒网络结构比较紧密的结构、颗粒相互扩展连接成片层状内部只含有极少孔的结构,颗粒尺寸一般在60～2500 nm之间。碳化硅颗粒分散在纳米酚醛颗粒之间或酚醛颗粒堆砌形成的孔隙的边缘,其亚微米级的尺寸可以包裹住纳米酚醛颗粒,在高温环境下可以有效的防止酚醛树脂抗氧化。碳化硅改性碳/酚醛烧蚀材料内浸渍的多孔酚醛树脂分布均匀,甚至可以在碳纤维表面形成厚度均匀的膜层,这是的该材料特有的微观结构。短切碳纤维骨架因受到压滤排水成型工艺的影响,纤维趋向于平行加压方向排布,微观结构在沿着厚度方向和面内方向存在各向异性,导致短切碳纤维骨架和碳/酚醛烧蚀材料的力学性能和热物理性能同样表现出各向异性。以试样B为例,在沿着厚度方向和面内方向,压缩强度值分别是0.93 MPa和3.36 MPa,热导率值分别为 0.034 W/(mk)、0.116 W/(mk)。经过120 s、热流密度1.1 MW/m2氧-乙炔烧蚀考核,在最佳分散剂含量下,碳化硅加入量为酚醛树脂质量1%、3%、5%、10%的改性碳/酚醛烧蚀材料烧蚀均匀而对称。烧蚀区域的碳纤维表面覆盖着多孔酚醛树脂碳化后生成的纳米孔热解碳。随着碳化硅加入量增大,线烧蚀率和质量烧蚀率均出现先降低后升高的现象。烧蚀开始5 s后,材料表面温度即可达到1800℃以上并且不再明显变化,在距离烧蚀表面15 mm和30 mm处试样内部的温度,经过120 s烧蚀考核后,温度峰值分别达到1100℃和800℃,证明改性后碳/酚醛烧蚀体具有较好的热绝缘性能。