碳/杂化树脂基防热复合材料及性能研究

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针对新型树脂基防热材料需求,文章开展了碳/杂化树脂基防热复合材料及性能研究,国内首次评价了三类碳/含硅炔基团杂化树脂(聚硅芳炔RA,聚硅乙炔RB,聚苯基硅乙炔RC)基防热材料的烧蚀行为。通过杂化树脂分子结构、固化及裂解行为,相关复合材料的力学及烧蚀性能的研究,全面剖析了这些材料体系中结构与性能之间的关系,深入探讨了影响材料力学及烧蚀性能的相关因素。在此基础上,进一步提出了优化材料烧蚀性能的相关方法。主要研究成果如下:   (1)杂化树脂固化交联过程中形成的稠芳环结构或Si-C(sp3)结构赋予了其固化物较高的热稳定性能以及高温质量残留率。三种杂化树脂固化物的热分解温度Td5均大于500℃,900℃质量残留率均大于80%,其中以RA树脂(626℃,91.3%)最为突出。   (2)在3DCf/RA、RB、RC三种材料体系中,随着材料基体中Si原子含量的提高,材料的力学性能逐渐降低。分析认为,Si原子含量高的树脂基体,其固化收缩行为更为严重,这导致了其复合材料体系中孔隙含量偏高,基体偏脆。另一方面,较高的Si含量也不利于碳化后的材料力学性能。分析认为,在同等热处理环境下,Si元素含量较高的3DCf/RB材料出现的基体脆化,纤维侵蚀以及界面强化倾向最为严重,而这三种结构变化是不利于材料力学性能的。   (3)在高焓高热流的典型工况条件下,3DCf/RA、RB、RC三种材料的烧蚀性能随材料基体中Si原子含量的提高而下降。分析认为,背景环境下,3D碳/杂化树脂基复合材料的烧蚀量由热化学烧蚀和机械剥蚀两部分组成,而材料体系较高的Si原子含量即不利于降低热化学烧蚀量,也不利于材料的抗剥蚀性能。   (4)强界面结合有利于3DCf/RA材料的力学性能;而弱界面结合有利于碳化后3DCf/RA材料的力学性能。鉴于界面结合仅对材料的抗剥蚀性能有影响,同时材料的剥蚀出现裂解层以上的碳化层中,提高材料碳层的结构强度是增加材料抗剥蚀性能的主要途径,因此弱界面结合是有利于3DCf/RA材料烧蚀性能的。   (5)提出了通过在碳纤维表面修饰沉积碳界面层的方法弱化碳/聚硅芳炔材料体系的界面结合,以提高材料烧蚀性能。研究结果表明:通过界面优化,3DCf/RA材料的烧蚀性能提高了9%。
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