烧蚀材料隔热层复合泡沫塑料的制备及性能研究

摘要

随着航天技术的快速发展，对材料的防热和隔热提出了更高的要求，如何将防热与隔热结合起来实现结构性和功能性一体化成为热防护材料的研究重点。本文以隔热层材料作为研究对象，采用空心玻璃微球（HGM）和短切玻璃纤维填充硼酚醛树脂制备了复合泡沫塑料，系统研究了HGM和纤维含量以及热处理温度对复合泡沫塑料力学性能、热稳定性、隔热性的影响，为聚合物基防隔热材料的开发和设计提供了理论基础。 采用APTES、NDZ-311和GA等不同偶联剂对HGM表面进行处理，发现通过改性有利于提高HGM与酚醛基体间的相容性和界面性能，同时能有效缓解颗粒的团聚。特别对于采用APTES和GA协同处理的HGM而言，其与酚醛基体间稳定的化学连接能够赋予复合泡沫塑料更好的性能。 HGM的填充对体系热稳定的提高有明显作用，氮气条件下填充50vol.%HGM的复合泡沫塑料在900℃时残留率71.45%，对比未填充的酚醛固化物提高了22.32%。室温条件下，HGM的增加使酚醛复合泡沫塑料的抗压强度和弯曲强度有所下降，对比未填充的酚醛固化物，填充50vol.%HGM后分别下降了55.08%和67.00%。而随着热处理温度的升高，树脂基体的裂解使得材料力学性能大幅衰退， HGM的存在对材料力学性能形成了有效的补强作用，在400℃、600℃和800℃处理后，填充50vol.%HGM后的抗压强度和弯曲强度分别提高了246.67%和173.02%、199.07%和81.60%、107.87%和71.43%。弯曲强度的增加并没有抗压强度那样明显，这是由于在弯曲载荷模式下，基体的破坏是材料主要的失效方式，特别是经过高温热处理，基体热解后产生的无定型炭使得材料脆性更大，试样均呈现出典型的脆性断裂特点。 由于体系中HGM的存在使得短切纤维的填充量受到一定的限制，少量纤维的填充对体系的热稳定性有轻微的提升，对比50vol.%HGM的复合泡沫塑料，填充1.5wt.%短切纤维后氮气条件下900℃残留率提高了3.54%。室温条件下，1.25wt.%纤维的填充很大程度上弥补了材料力学性能上的不足，在抗压强度和弯曲强度上提高了137.61%和80.27%。在400℃、600℃和800℃处理后，由于纤维的微屈曲和桥接作用，填充1.25wt.%纤维使复合泡沫塑料的抗压强度和弯曲强度分别提高了44.07%和89.51%、157.59%和51.35%、77.73%和156.32%。 通过研究研究复合泡沫塑料中的传热机理发现，对于气孔孔径为微米级的酚醛复合泡沫塑料而言，体系孔隙中气体的对流传热忽略不计，且在常温条件下，辐射传热占材料总导热系数的比例远低于1%，酚醛复合泡沫塑料中的传热由基体固相导热和气相导热组成。HGM的填充有效的降低了材料的导热系数，尽管温度的升高使体系中辐射传热所占的比例逐渐提高，但是在1000℃以下体系的传热依然以固相传导传热为最主要的途径。因为排列方式无规和体积分数偏低，短切纤维的填充对酚醛复合泡沫塑料导热系数有轻微的提高，但是整体影响并不十分明显。 试制了块状复合泡沫塑料和夹心结构，通过对比夹心结构与块状复合泡沫塑料的背温发现，夹心结构的最外层纤维片材起到一定的防热层作用，有利于背温的降低，对夹心结构的整体隔热性能有相当程度的提高。在酒精喷灯加热条件下，对比块状复合泡沫塑料，在上下两面分别粘接了纤维片材的夹心结构对热量的传递有显著的阻碍作用，使得60s时的背温由156.4℃降低至94.6℃，下降了39.51%。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 隔热材料及其分类

1.3 聚合物发泡材料

1.4 气凝胶

1.5 复合泡沫塑料

1.6 本文的主要研究内容

第2章 空心玻璃微球的表面改性

2.1 引言

2.2 实验与测试

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 酚醛复合泡沫塑料的制备与性能

3.1 引言

3.2 实验与测试

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 纤维增强酚醛复合泡沫塑料的制备与性能

4.1 引言

4.2 实验与测试

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 酚醛复合泡沫塑料的隔热性能

5.1 引言

5.2 实验与测试

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 结 论

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录：博士期间的研究成果