陶瓷填料改性PICA复合材料的研制及性能表征

陶瓷填料改性PICA复合材料的研制及性能表征与近地轨道速度再入的航天飞行器相比,深空探测与载人登月返回舱以第二宇宙速度再入大气层时会经受更严重的气动加热,对热防护材料的性能提出了更高的要求。轻质炭化材料是未来深空探测及载人航天返回舱热防护结构的关键材料,新型PICA复合材料(Phenolic impregnated carbon ablator)是其中的典型代表。

虽然PICA满足了高超声速飞行器热防护轻质与隔热的需求,但其抗烧蚀性能及热防护效率亟待提高。利用碳纤维针刺毡和硼改性酚醛树脂,采用真空浸渍法制备了 PICA,并通过性能表征对其制备工艺进行了优化,确定了 PICA制备的技术途径。

通过非等温DSC法及正交试验优化了 PICA的固化工艺;以层间剪切强度为评估指标确定了碳纤维针刺毡的表面处理工艺;研究了碳纤维针刺毡密度及浸渍剂浓度对材料最终密度、压缩强度及导热系数的影响。结果表明:固化升温速率对材料压缩强度影响较大,单纯依靠非等温DSC法和外推法不能得到最优的固化温度,PICA最优固化工艺为120℃ 1h+ 170℃ 1h,固化升温速率为1℃/min,此时PICA的压缩强度最高;在常温下,采用浓硝酸对碳纤维针刺毡进行表面处理时,随着处理时间的增加,PICA的层间剪切强度呈现先增后减的趋势,其中处理时间为2h时,PICA的层间剪切强度最高;随着碳纤维针刺毡密度的增加,PICA材料密度和常温导热系数线性增加,压缩强度大幅提高;随着浸渍剂浓度的提高,PICA 材料密度线性增加,压缩强度明显提高,但常温导热系数降低。

为了提高PICA的抗烧蚀性能及其热防护效率,提出了陶瓷化自适应环境技术,探索了多种陶瓷填料对PICA性能的影响规律。利用ZrC、ZrB2、SiC陶瓷填

料分别对PICA进行改性,研究了填料含量对PICA密度、热稳定性、力学性能、导热系数及抗烧蚀性能的影响。

结果表明:(1)ZrC、ZrB2、SiC三种不同陶瓷填料对PICA密度、残炭率、压缩强度以及常温导热系数的影响规律基本一致。随着陶瓷填料含量的增加,PICA 密度增加,残炭率提高,压缩强度下降,常温导热系数线性增加。

(2)将适量的ZrC、ZrB2、SiC三种陶瓷填料分别引入PICA均能大幅降低线烧蚀率,这是因为在气动热环境下陶瓷填料改性的PICA表层陶瓷化,这个陶瓷层不仅能够增加PICA炭化层的强度,抑制表层的机械剥蚀,而且能够改善烧蚀表面的抗氧化性能,防止碳纤维的氧化,减少烧蚀表面的热化学烧蚀,从而抑制烧蚀过程中PICA的表面后退,进而达到降低线烧蚀率、改善抗烧蚀性能、提高热防护效率的目的。但是,三种陶瓷填料对PICA抗烧蚀性能的影响表现出了不同的规律:(ⅰ)PICA线烧蚀率随ZrC含量的增加逐渐降低,而随ZrB2、SiC含量的增加均呈现先减后增的趋势,其中ZrB2含量为11%时PICA线烧蚀率与无任何添加PICA相比仍大幅降低,但当SiC含量为11%时PICA线烧蚀率则与无任何添加PICA 的基本相当。

(ⅱ)随着ZrC含量的增加,最大烧蚀表面温度逐渐升高;随ZrB2含量的增加,最大烧蚀表面温度也逐渐升高,但当ZrB2含量达到7%后,最大烧蚀表面基本保持不变;随着SiC含量的增加,最大烧蚀表面则逐渐降低,与ZrC、ZrB2的趋势正好相反,且当SiC含量从5%增加到11%时,其最大表面温度基本保持不变。(ⅲ)随ZrC、ZrB2含量的增加,PICA的烧蚀背面温度均呈现逐渐降低的趋势,然而SiC 含量对PICA烧蚀背面温度则影响较小。

为了预估PICA在气动热作用下的热响应,开发了一套适用于PICA的热解层

导热系数测量系统,获得了 PICA的热解层导热系数,完善了 PICA的性能评估体系。该系统包括测量装置及热解层导热系数识别程序两部分,其测试原理是:通过测量试件在恒定温度加热条件下的瞬态热响应,利用反向参数识别方法对其导热系数进行反演。

测量装置主要包括气密外壳、中心测量装置、伺服电机起重装置、气压控制系统、进料口、承载结构、承力杆、试件托盘、压力传感器以及控制面板系统等组成部分。热解层导热系数识别程序是基于炭化材料的一维热解层模型和反向参数识别方法,利用Matlab编写的参数识别计算程序。

利用该测量系统对不同气压下PICA热解层导热系数进行测试,验证了热解层导热系数识别程序的有效性,研究了不同气压对PICA热解层导热系数的影响。参数识别结果表明:开发的热解层导热系数测量系统能够有效测量炭化材料的热解层导热系数;随着气压的减小,PICA热解层导热系数逐渐减小;气压越低,温度与PICA热解层导热系数之间的非线性越明显。