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1）烧蚀过程与防热机理
表面烧蚀(线烧蚀):发生在结构表面的烧蚀。主要包括表面 材料与环境气流的热化学反应、材料的熔化、蒸发、升华、 高速粒子冲刷以及机械剥蚀引起的质量损失； 体积烧蚀:结构内部材料在较低温度下因热解反应或热氧 化反应导致的质量损失。
举例：碳／酚醛复合材料的烧蚀防热过程：
（1）复合材料本身的热容吸收
初期，复合材料通过本身温度升高来吸收外界热量。
（2）树脂基体的热分解吸热
由于碳／酚醛的热导率较大，内部材料开始逐渐升温，当 材料的温度上升到树脂基体的分解温度时，树脂开始分解 并吸收大量热能，同时热解产生大量气体向外逸出并带走 热量。随温度进一步升高，热解过程基本完成，热解层变 成多孔的焦炭碳化层。
（3）碳化层表面的化学反应、升华和热辐射
表面层在附面层中氧的作用下发生化学反应并放出热量。由 于表面温度很高，大量热量以热辐射的形式放出，同时部分 碳分子发生升华吸热。
（4）“热阻”效应和剥蚀现象
随着烧蚀过程的进行，内部不断产生的热解气体产物穿过碳 化层把大量的热量带入附面层，同时这些气体阻止附面层的 热量向内传递，还能阻止附面层中的氧气与碳化层接触而发 生燃烧反应——即所谓“热阻”效应。但这种热解气体也会 导致碳化层破碎而随气流流失，即“机械剥蚀”。所以热解 气体在防热中具有双重性，过多的气体产物会导致严重的机 械剥蚀。
5. 陶瓷基防热复合材料12） ）组 制分 备材 技料 术与其特色
3）陶瓷基复合材料的增韧
6. 防热复合材料的发展
1. 分类与其特点
➢ 按其防热机制可分为升华型、熔化型和碳化型。
升华型:在高温下升华气化带走热量 如C/C复合材料，升华温度可达3600℃ 熔化型:在高温下熔化吸收热量，利用形成的熔融液
态层来阻塞热流 如碳纤维/石英、石英（玻璃）/酚醛；
碳化型:树脂在高温下的碳化吸收热量，形成的碳化 层还具有很好的辐射散热和阻塞热流作用 如石英／酚醛、碳／酚醛、碳/聚酰亚胺。
➢ 按所用基体的不同，可分为树脂基、碳基和陶瓷基
✓ 树脂基：密度低，成型加工容易，烧蚀式防热技术的 兴起首先有赖于树脂基防热复合材料的开发；
采用特殊固化剂（F系列）固化的环氧树脂基体，可耐300～ 500℃的高温，瞬时可达1000℃以上，且几乎无烟、无味， 耐烧蚀性能较普通环氧树脂可提高一个数量级，达到或超过 氨酚醛的水平。因此该环氧树脂有望成为新的耐烧蚀材料， 且在工艺上有不少优越之处。
4）烧蚀材料成型方法
➢ 低密度树脂基烧蚀防热复合材料的成型： ①蜂窝结构泡沫材料填充法 ②涂料喷射法 ③表面涂敷法 ④模压法
烧蚀防热材料一般应具备以下基本特性：
（1）比热大，以便在烧蚀过程中可吸收大量的热量； （2）导热系数小，具有一定的隔热作用; （3）密度小，最大限度地减少制造材料的总重量; （4）烧蚀速率低，质量烧蚀率低。
3. 树脂基防热复合材料
树脂基防热复合材料:利用高相变热、低热导率的有机和无 机组分，在吸收大量热流后发生相变，并随着相变物质的 质量流失把热量带走，从而起到保护内部结构的作用。
烧蚀防热复合材料
热功能复合材料
热适应复合材料
阻燃复合材料
二. 烧蚀防热复合材料
烧蚀防热复合材料
热流作用下
发生多种 物理和化 学变化
分解 熔化 蒸发 升华 辐射
达到阻止热 流传入结构 内部的目的
带走大量 热量
材料质量 消耗
用以防护工程结构在特殊气动热环境中免遭烧毁破坏，保持必 需的气动外形，是航天飞行器、导弹等必不可少的关键材料。
✓ 碳基：耐烧蚀性能最好，高温力学性能优异、耐热冲 击，是用于2000℃以上防热结构的唯一备选材料，可 耐受高达10000℃的驻点温度；
✓ 陶瓷基：高温力学性能良好、抗氧化性、耐磨性及隔 热性，其工作温度可高达1650℃，但其脆性大，可靠 性较差。
2. 防热材料特性要求
有效烧蚀热：单位质量的烧蚀材料完全烧掉所带走的热量。 它是衡量耐烧蚀材料性能的一个重要参数
功能复合材料
第9章 热功能复合材料
张佐光 李 敏 顾轶卓 北航材料学院
提纲
一. 概述 二. 烧蚀防热复合材料 三. 热适应复合材料 四. 阻燃复合材料
一. 概 述
热功能复合材料是具有特殊热作用的复合材料,根 据使用条件的不同, 热功能复合材料可发挥防热、 导热、以及耐火等作用.因此其分类也可分为:
提纲
1. 分类与其特点 2. 防热材料特性要求 1）烧蚀过程与防热机理 3. 树脂基防热复合材料23） ）烧烧蚀蚀材材料料用用基纤维体
4）烧蚀材料成型方法 1）优点 2）C/C防热复合材料烧蚀机理
4. 碳/碳防热复合材料 3）制备工艺
4）C/C复合材料制备工艺的最新进展 5）C/C复合材料的抗氧化途径
➢ 聚酰亚胺树脂
优点：很高的热稳定性，耐烧蚀，自熄性好，发烟率低。对 于全芳香族聚酰亚胺，其开始分解温度一般可达500℃以上， 是目前聚合物中热稳定性最高的品种之一。
除具有突出的耐热性、耐烧蚀性之外，聚酰亚胺还具有十分 优异的机械、物理和化学性能，因此用其作烧蚀材料还可提 高整体构件的综合性能。
➢ 改性环氧树脂
3）烧蚀材料用基体
➢ 酚醛树脂
树脂基烧蚀复合材料所采用的基体主要为酚醛树脂。这是由 于酚醛树脂的成炭率较高，且酚醛树脂在热解时可生成一种 具有环形结构、烧蚀性能优异的中间产物，完全碳化后的碳 化层较致密、稳定。
➢ 聚芳基Leabharlann Baidu炔（PAA）树脂
新型的抗烧蚀基体，为一种高度交联的芳香族聚合物，仅含 碳和氢。 其主要优点：在惰性环境中加热到高温时仅释出10%质量比 的挥发物，成炭率高达90%，而吸湿性仅为酚醛的1/50，被 认为是代替酚醛的一种高性能树脂基体。
➢ 高密度树脂基烧蚀防热复合材料的成型： ①层压或模压成型 ②树脂传递模塑（RTM） ③缠绕成型 ④手糊成型
2）烧蚀材料用纤维
➢ 玻璃纤维：耐200～250℃，当达到熔融温度以后，其熔 态玻璃粘度小，流动速度快。
➢ 高硅氧纤维：SiO2含量在95％以上的玻璃纤维。SiO2含 量越高，纤维熔点也就越高。在980℃下无明显物理变化， 在1600℃以下不熔化和蒸发。
➢ 炭纤维（石墨纤维）：高温强度高，且由于其在高温下焓 值的提高及升华吸热，其有效烧蚀热也高于其他材料。
表面烧蚀(线烧蚀):发生在结构表面的烧蚀。主要包括表面 材料与环境气流的热化学反应、材料的熔化、蒸发、升华、 高速粒子冲刷以及机械剥蚀引起的质量损失； 体积烧蚀:结构内部材料在较低温度下因热解反应或热氧 化反应导致的质量损失。
举例：碳／酚醛复合材料的烧蚀防热过程：
（1）复合材料本身的热容吸收
初期，复合材料通过本身温度升高来吸收外界热量。
（2）树脂基体的热分解吸热
由于碳／酚醛的热导率较大，内部材料开始逐渐升温，当 材料的温度上升到树脂基体的分解温度时，树脂开始分解 并吸收大量热能，同时热解产生大量气体向外逸出并带走 热量。随温度进一步升高，热解过程基本完成，热解层变 成多孔的焦炭碳化层。
（3）碳化层表面的化学反应、升华和热辐射
表面层在附面层中氧的作用下发生化学反应并放出热量。由 于表面温度很高，大量热量以热辐射的形式放出，同时部分 碳分子发生升华吸热。
（4）“热阻”效应和剥蚀现象
随着烧蚀过程的进行，内部不断产生的热解气体产物穿过碳 化层把大量的热量带入附面层，同时这些气体阻止附面层的 热量向内传递，还能阻止附面层中的氧气与碳化层接触而发 生燃烧反应——即所谓“热阻”效应。但这种热解气体也会 导致碳化层破碎而随气流流失，即“机械剥蚀”。所以热解 气体在防热中具有双重性，过多的气体产物会导致严重的机 械剥蚀。
5. 陶瓷基防热复合材料12） ）组 制分 备材 技料 术与其特色
3）陶瓷基复合材料的增韧
6. 防热复合材料的发展
1. 分类与其特点
➢ 按其防热机制可分为升华型、熔化型和碳化型。
升华型:在高温下升华气化带走热量 如C/C复合材料，升华温度可达3600℃ 熔化型:在高温下熔化吸收热量，利用形成的熔融液
态层来阻塞热流 如碳纤维/石英、石英（玻璃）/酚醛；
碳化型:树脂在高温下的碳化吸收热量，形成的碳化 层还具有很好的辐射散热和阻塞热流作用 如石英／酚醛、碳／酚醛、碳/聚酰亚胺。
➢ 按所用基体的不同，可分为树脂基、碳基和陶瓷基
✓ 树脂基：密度低，成型加工容易，烧蚀式防热技术的 兴起首先有赖于树脂基防热复合材料的开发；
采用特殊固化剂（F系列）固化的环氧树脂基体，可耐300～ 500℃的高温，瞬时可达1000℃以上，且几乎无烟、无味， 耐烧蚀性能较普通环氧树脂可提高一个数量级，达到或超过 氨酚醛的水平。因此该环氧树脂有望成为新的耐烧蚀材料， 且在工艺上有不少优越之处。
4）烧蚀材料成型方法
➢ 低密度树脂基烧蚀防热复合材料的成型： ①蜂窝结构泡沫材料填充法 ②涂料喷射法 ③表面涂敷法 ④模压法
烧蚀防热材料一般应具备以下基本特性：
（1）比热大，以便在烧蚀过程中可吸收大量的热量； （2）导热系数小，具有一定的隔热作用; （3）密度小，最大限度地减少制造材料的总重量; （4）烧蚀速率低，质量烧蚀率低。
3. 树脂基防热复合材料
树脂基防热复合材料:利用高相变热、低热导率的有机和无 机组分，在吸收大量热流后发生相变，并随着相变物质的 质量流失把热量带走，从而起到保护内部结构的作用。
烧蚀防热复合材料
热功能复合材料
热适应复合材料
阻燃复合材料
二. 烧蚀防热复合材料
烧蚀防热复合材料
热流作用下
发生多种 物理和化 学变化
分解 熔化 蒸发 升华 辐射
达到阻止热 流传入结构 内部的目的
带走大量 热量
材料质量 消耗
用以防护工程结构在特殊气动热环境中免遭烧毁破坏，保持必 需的气动外形，是航天飞行器、导弹等必不可少的关键材料。
✓ 碳基：耐烧蚀性能最好，高温力学性能优异、耐热冲 击，是用于2000℃以上防热结构的唯一备选材料，可 耐受高达10000℃的驻点温度；
✓ 陶瓷基：高温力学性能良好、抗氧化性、耐磨性及隔 热性，其工作温度可高达1650℃，但其脆性大，可靠 性较差。
2. 防热材料特性要求
有效烧蚀热：单位质量的烧蚀材料完全烧掉所带走的热量。 它是衡量耐烧蚀材料性能的一个重要参数
功能复合材料
第9章 热功能复合材料
张佐光 李 敏 顾轶卓 北航材料学院
提纲
一. 概述 二. 烧蚀防热复合材料 三. 热适应复合材料 四. 阻燃复合材料
一. 概 述
热功能复合材料是具有特殊热作用的复合材料,根 据使用条件的不同, 热功能复合材料可发挥防热、 导热、以及耐火等作用.因此其分类也可分为:
提纲
1. 分类与其特点 2. 防热材料特性要求 1）烧蚀过程与防热机理 3. 树脂基防热复合材料23） ）烧烧蚀蚀材材料料用用基纤维体
4）烧蚀材料成型方法 1）优点 2）C/C防热复合材料烧蚀机理
4. 碳/碳防热复合材料 3）制备工艺
4）C/C复合材料制备工艺的最新进展 5）C/C复合材料的抗氧化途径
➢ 聚酰亚胺树脂
优点：很高的热稳定性，耐烧蚀，自熄性好，发烟率低。对 于全芳香族聚酰亚胺，其开始分解温度一般可达500℃以上， 是目前聚合物中热稳定性最高的品种之一。
除具有突出的耐热性、耐烧蚀性之外，聚酰亚胺还具有十分 优异的机械、物理和化学性能，因此用其作烧蚀材料还可提 高整体构件的综合性能。
➢ 改性环氧树脂
3）烧蚀材料用基体
➢ 酚醛树脂
树脂基烧蚀复合材料所采用的基体主要为酚醛树脂。这是由 于酚醛树脂的成炭率较高，且酚醛树脂在热解时可生成一种 具有环形结构、烧蚀性能优异的中间产物，完全碳化后的碳 化层较致密、稳定。
➢ 聚芳基Leabharlann Baidu炔（PAA）树脂
新型的抗烧蚀基体，为一种高度交联的芳香族聚合物，仅含 碳和氢。 其主要优点：在惰性环境中加热到高温时仅释出10%质量比 的挥发物，成炭率高达90%，而吸湿性仅为酚醛的1/50，被 认为是代替酚醛的一种高性能树脂基体。
➢ 高密度树脂基烧蚀防热复合材料的成型： ①层压或模压成型 ②树脂传递模塑（RTM） ③缠绕成型 ④手糊成型
2）烧蚀材料用纤维
➢ 玻璃纤维：耐200～250℃，当达到熔融温度以后，其熔 态玻璃粘度小，流动速度快。
➢ 高硅氧纤维：SiO2含量在95％以上的玻璃纤维。SiO2含 量越高，纤维熔点也就越高。在980℃下无明显物理变化， 在1600℃以下不熔化和蒸发。
➢ 炭纤维（石墨纤维）：高温强度高，且由于其在高温下焓 值的提高及升华吸热，其有效烧蚀热也高于其他材料。