本文根据在高热流密度、强气流冲刷的气动热力耦合环境中短时使用的大面积耐烧蚀复合材料的轻质、隔热、耐冲刷等要求,考察了具有较低密度的Kynol酚醛纤维/低压钡酚醛(P/PR)、聚对苯撑苯并双噁唑纤维/低压钡酚醛(PBO/PR)和石英纤维/低压钡酚醛(Q/PR)复合材料的耐烧蚀性能;在此基础上,设计了酚醛-石英/酚醛和PBO-石英/酚醛两类混杂纤维增强复合材料(HFRP),并考察了其性能。通过对不同炭化程度的复合材料的力学性能分析,考察复合材料炭层的力学性能;通过氧-乙炔烧蚀实验平台提供的高温环境,研究复合材料在高温作用下的质量损失规律;通过小型液体发动机尾焰烧蚀实验平台提供的气动热力耦合环境,研究复合材料的耐冲刷性能;采用扫描电镜分析研究复合材料在不同热环境中烧蚀炭层微观形貌特征。根据上述研究结果,分析P/PR、PBO/PR和Q/PR复合材料在高热流密度、强气流冲刷热环境中的性能演变规律和主要失效原因,研究酚醛-石英/酚醛和PBO-石英/酚醛HFRP的性能演变规律,并研究了纤维混杂比、树脂基体类型和有机纤维类型对HFRP性能的影响。研究结果表明:(1)密度分别为1.21g/cm3、1.37g/cm3和1.45g/cm3的P/PR、PBO/PR和Q/PR复合材料在发动机尾焰烧蚀实验平台提供的热力耦合环境中质量损失率大,试样损毁严重。P/PR失效的主要原因是,烧蚀过程中形成的热解炭之间、炭层与热解层之间被裂纹分割,相互间结合较差;PBO/PR的失效主要源于树脂基体热解程度较高时,材料严重分层破坏,纤维铺层无有效结合,而且烧蚀过程中炭层膨胀、分层;Q/PR失效的主要原因是烧蚀过程中,材料严重分层。(2)密度≤1.4g/cm3的酚醛-石英/酚醛HFRP,具有较强的耐冲刷能力。在高温环境中,酚醛-石英/酚醛材料体系中的Kynol酚醛纤维热解成炭,并与树脂基体热解炭相互反应呈整体结构,丰富了炭层中热解炭的来源,改善了炭层形貌;石英纤维在烧蚀过程中与热解炭的相互反应,增强了热解炭与本体材料之间的结合。Kynol酚醛纤维、酚醛树脂基体和石英纤维的协同反应,提高了炭层力学性能,增强了炭层微观的完整性和稳定性,改善了热解炭之间结合(如P/PR复合材料)和烧蚀分层现象(如Q/PR复合材料),从而提高了酚醛-石英HFRP复合材料的耐冲刷性能。(3)在纤维体积分数(Vf)约为45%时,PBO-Q/PR HFRP具有较强的耐冲刷能力。在高温环境中,PBO-Q/PR材料体系中的PBO纤维热解、炭化形成耐冲刷能力强的纤维热解炭,丰富了复合材料中热解炭的来源,改善了炭层形貌;石英纤维的存在改善了PBO-Q/PR HFRP高温分层破坏情况,且在烧蚀条件下与PBO纤维热解炭发生碳硅氧化反应,提高热解炭与本体材料的结合,形成稳定的微观结构,保护内部材料不被剥蚀,提高了耐冲刷性能。(4)HFRP复合材料间的协同反应程度影响炭层力学性能与炭层微观结构,最终影响HFRP的耐冲刷性能。在不同混杂比的P3-Q/PR、P-Q/PR和P-Q3/PR HFRP中,P-Q/PR HFRP的综合性能最好。(5)不同树脂基体的P-Q/BPR、P-Q/PR与P-Q/BZ HFRP中,PR树脂基体的热解范围宽,与Kynol热解同步性好,并有较高的残炭率,P-Q/PR复合材料的炭层力学性能和微观结构整体性越好,耐冲刷性能越好。(6)Kynol酚醛纤维密度小于PBO纤维,Kynol酚醛纤维与酚醛树脂的界面结合优于PBO纤维与树脂的界面结合,因此,P-Q/PR复合材料在降低材料密度、提高隔热性能潜能优于PBO-Q/PR复合材料。
