防热复合材料湿热老化行为与贮存寿命研究

目的研究装备用防热复合材料在贮存条件下的性能变化规律和寿命评估。方法在90℃/90%RH、80℃/90%RH、70℃/90%RH和80℃/80%RH共4个试验条件下,对玻璃纤维增强酚醛树脂防热复合材料开展加速湿热老化试验,借助红外光谱分析、扫描电镜、导热系数和力学性能测试研究老化过程中材料的质量、导热系数、力学性能、化学组分、微观形貌的变化规律,使用Peck模型对材料的贮存寿命进行计算。结果材料在老化初期吸湿后,质量快速增加,吸湿趋于饱和后,质量达到最大值。随着老化时间的延长,材料的质量呈缓慢下降趋势。不同湿热条件下,材料的导热系数未出现性能退化现象,材料的拉伸强度均出现退化现象,老化温度越高,性能下降越明显。在90℃/90%RH条件下,老化时间为80d时,材料强度大约下降到初始性能的53.4%。湿热老化过程中,红外光谱中960cm^(‒1)处特征峰逐渐减弱,直至完全消失,1098cm^(‒1)处特征峰相对强度逐渐变强。湿热老化后,材料部分玻璃纤维与基体间界面有微裂纹产生,拉伸断裂后,大部分纤维从树脂基体中拔出,表面平整光滑,黏连树脂较少。结论防热复合材料的老化是由氧化反应的化学老化与湿热条件导致界面脱黏、基体开裂、微裂纹等物理老化综合作用的结果。防热复合材料在20℃/60%RH条件的贮存寿命为36.3a,满足实际构件的设计寿命。

酚醛树脂基复合材料传热-热解模型构建与试验研究

针对现有酚醛树脂基复合材料传热-热解模型忽略产物气体渗流可压缩效应的问题,建立了考虑热解气体可压缩流动的酚醛树脂基复合材料传热-热解模型。通过可压缩压力耦合方程组半隐式方法,求解完整的Navier-Stocks方程,以实现对热解气体可压缩流动的模拟,而非现有模型普遍采用的不可压缩Darcy方程;改进了热解度的计算方式,提高了孔隙动态演化时热解区域材料物性插值的准确性。以一种酚醛树脂基复合材料——酚醛气凝胶复合材料为例,通过热质量试验数据,推导了热解动力学模型。测量了完全热解前后材料的关键计算输入参数。通过10 kPa低气压热试验测得了1000℃加热下材料的背温。结果表明:酚醛气凝胶复合材料存在200~550℃、550~800℃、800~1200℃共3个主要热解区间;完全热解前、后,材料孔隙率分别为0.568、0.484,渗透率分别为10^(-13)、10^(-12) m^(-2)。计算模型与试验结果吻合较好,最大相对误差为9.2%;热解气体向舱内渗流形成富集区域的现象对材料隔热有负面影响,但低导热系数和产物气体热阻塞作用仍使材料具备优异的防隔热性能。

可陶瓷化酚醛树脂复合材料研究进展

可陶瓷化酚醛树脂复合材料是一种由酚醛树脂基体、成瓷填料、助熔剂等填料组成的新型耐热材料,这种材料可在高温中形成陶瓷层,起到隔绝氧气和热量的作用,提高材料的耐热性能。从可陶瓷化酚醛树脂复合材料的主要填料和酚醛树脂耐热改性两方面进行综述,并对可陶瓷化酚醛树脂复合材料的未来进行了展望。

有机硅改性酚醛树脂气凝胶及其复合材料的制备与性能

纤维增强酚醛树脂气凝胶复合材料由于其低密度、低导热和优异的热稳定性而在高温热防护领域备受关注。为满足日益苛刻的热防护服役环境,通过水解法原位共聚将硅烷链段引入酚醛树脂,制备了一种具有优异抗氧化和耐烧蚀性能的硅改性酚醛气凝胶,并将其与石英纤维复合,得到纤维增强杂化酚醛气凝胶复合材料。性能测试表明:在1300℃丁烷火焰下处理15 s后,纤维增强杂化酚醛气凝胶复合材料质量烧蚀率为0.0879 g/s,线性烧蚀率为0.0347 mm/s,对比纯酚醛气凝胶复合材料分别下降了52.0%和15.6%;在40 kW石英灯下加热20 min后,质量烧蚀率为0.230 g/min,线性烧蚀率为0.051 mm/min,对比纯酚醛气凝胶复合材料分别下降了57.9%和67.3%。结果显示硅烷链段的引入提高了复合材料的抗氧化性能和耐烧蚀性能,该纤维增强杂化酚醛气凝胶复合材料在航空航天热防护领域具有广阔的应用前景。

2.5D石英纤维增强纳米孔酚醛树脂基复合材料的力学和传热性能

本文以2.5D石英纤维预制体为增强体,以纳米孔酚醛树脂为基体,通过溶胶-凝胶、常压干燥工艺制备了具有优异力学性能和低热导率的2.5D石英纤维/纳米孔酚醛树脂基复合材料,并基于力学和热导率的测试表征和有限元分析,系统研究了复合材料的微观结构、传热性能和力学性能。结果表明:酚醛树脂在微观上呈现纳米孔三维网状结构,有效地实现了较低密度(1.35 g/cm^(3))和低热导率(0.18 W·m^(-1)·K^(-1)),提升了材料的隔热性能;同时由于2.5D编织结构中经纱弯曲程度较高而纬纱分布较直,复合材料的力学性能和断裂行为展现出各向异性的特征。进一步建立了以实际材料结构、力学和热学参数为基础的有限元分析模型,预测了纤维体积分数、基体参数和纤维参数对复合材料不同方向热导率和弹性模量的影响规律。

新型抗烧蚀酚醛树脂的研究

采用不同的甲醛 (F) /苯酚 (P)比和复合碱性催化剂合成了邻对位羟甲基比例 (o/ p)不同的酚醛树脂。利用该酚醛树脂中邻对位交联程度变化 ,可以优化炭化过程中苯醌式结构中间体稠环化历程 ,从而通过适当调整酚醛树脂受烧蚀而发生炭化时的交联密度 ,使炭化过程稳定 ,高温下易于石墨化 ,提高了抗烧蚀性能。 F/ P比在 1.6～ 1.8时 ,纯酚醛树脂的炭化率与玻璃纤维 /酚醛树脂复合材料的质量烧蚀率变化较小 ,烧蚀形貌显著改善 ,是比较理想的配料比。

新型抗烧蚀酚醛树脂的研究

采用不同的甲醛 (F) /苯酚 (P)比和复合碱性催化剂合成了邻对位羟甲基比例 (o/p)不同的酚醛树脂。利用该酚醛树脂中邻对位交联程度变化可以优化炭化过程中苯醌式结构中间体稠环化历程 ,从而通过适当调整酚醛树脂受烧蚀而发生炭化时的交联密度 ,使炭化过程稳定 ,易于石墨化 ,提高了抗烧蚀性能。F/P比在 1. 6～ 1. 8时 ,纯酚醛树脂的炭化率与玻璃纤维 /酚醛树脂复合材料的质量烧蚀率变化较小 ,烧蚀形貌显著改善 。

改性黄麻纤维和酚醛树脂复合材料的力学性能

采用碱溶液(20 g/L NaOH)、热(140℃)处理方法对黄麻纤维进行改性处理,采用热压工艺将纤维与酚醛树脂制成复合材料。通过力学性能、冲击断口形貌对复合材料进行表征。结果表明:当碱处理时间不超过2 h、热处理时间不超过3 h时,黄麻纤维增强酚醛树脂基复合材料的拉伸强度和冲击强度均有不同程度提高。碱处理2 h的黄麻纤维增强酚醛树脂基复合材料的拉伸强度和冲击强度提高幅度最大,分别为13.5%和25%;冲击断口分析结果表明,热处理纤维与基体的界面结合强度高于碱处理纤维,断口呈平面化。

炔基酚醛树脂防热复合材料的研究

以碱为催化剂,通过间乙炔基苯基重氮硫酸盐和酚醛树脂间的偶合反应,制备出间乙炔基苯偶氮酚醛树脂简称炔基酚醛树脂(EPAN),采用该树脂制备了硅基/炔基酚醛树脂复合材料。研究结果表明:该树脂浸胶工艺性好,固化反应活性高,制备出的复合材料高温力学性能保持率好、残碳率高。

坡缕石纳米份数对原位复合的PF及其摩擦材料性能的影响

分别枉预聚物体系中添加质量份数为0．3％，0．7％，1．0％，1．3％的坡缕石纳米（称为P纳米），原位合成坡缕石／桐油酚醛树脂（P／TPF）。用TEM观察纳米粒子在树脂中的分散状况，用SETARAM TG-DSC92-16热分析仪对合成的树脂进行了TG分析；将所合成的树脂分别制作成编织摩擦材料并在DMS-1试验机上对其摩擦学性能进行测试。结果表明：P纳米份数在0．3％～1．0％范围内P／TPF热失重率在240～600℃的中温区近于线性递减；当P纳米份数为1．0％时树脂的耐热性及其摩擦材料综合性能最佳，抗热衰温度可达280℃，200℃耐磨性最好，磨损率比无纳米桐油酚醛树脂摩擦材料提高15％。

树脂基复合材料的分解防热效率

为了提高树脂基复合材料烧蚀中的热阻塞效应,同时避免因为加入过量树脂引起的复合材料脆性较大的问题,本文提出了引入可分解纤维改性的方法来解决这一矛盾。通过比较,筛选出了分解性质与酚醛树脂相似的可分解纤维,制备了改性纤维/酚醛复合材料。电弧风洞烧蚀试验结果显示2,0 mm厚的改性纤维/酚醛在最高热面温度1 300℃、总加热时间600 s的条件下背面温升比相同条件下高硅氧/酚醛低约40℃,表现出很好的烧蚀防热性能,与材料设计的初衷相符。因此,引入可分解纤维的方法是一种有效改善复合材料性能的方法。

纤维增强复合材料的制备及防护性能研究

采用真空辅助成型工艺制备了EWR600玻纤织物、高强2号玻璃纤维、高强4号玻璃纤维、碳纤维增强树脂基复合材料。以复合材料为爆炸反应装甲的面、背板材料,考察了爆炸反应装甲对破甲弹的防护性能。结果表明,在所考察的范围内,碳纤维增强树脂基复合材料对200型破甲弹的防护系数可达到19,对破甲弹射流的损耗达到90%以上;与合金钢作为爆炸反应装甲的面、背板相比,纤维增强树脂基复合材料在实现30%以上减重的同时,可彻底消除爆炸反应装甲的二次杀伤效应,具有广阔的应用前景。

聚苯醚对环保型酚醛树脂的改性研究

为了解决高性能飞机机体和发动机用材料中产生的耐热及耐磨问题,对聚苯醚改性环保型酚醛树脂进行了研究,发现了一种改性剂X可以明显改善聚苯醚与酚醛树脂合成时的工艺性,并通过DSC、TGA、SEM和EDAX对材料在改性前后的耐热、耐磨性能以及力学性能进行了对比。通过对结果的讨论与分析,表明经过聚苯醚改性后的酚醛树脂,无论是耐热性、耐磨性还是力学性能,同未改性时相比,都有较大程度的提高。聚苯醚改性的酚醛树脂可将树脂的初始失重温度提高10～20℃,可将树脂在600℃时的残余量提高25%,改性后的酚醛树脂的磨损质量损失降低16.8%。另外,与未改性酚醛树脂相比,力学性能方面拉伸强度、弯曲强度与冲击强度分别比未改性前提高了400MPa、200MPa与60kJ/m2。

酚醛树脂基复合材料的等离子烧蚀性能

利用等离子烧蚀试验系统,对纤维增强酚醛树脂复合材料进行烧蚀试验,并对不同复合材料的烧蚀率和微观形貌进行测试和分析。等离子烧蚀试验条件为:功率60kW,热流密度25000kW/m^2,烧蚀时间8s。结果表明:碳纤维、高硅氧纤维、玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料的等离子线烧蚀率分别为:0.180mm/s、0.666mm/s、0.613mm/s,质量烧蚀率分别为:0.167g/s、0.310g/s、0.338g/s,线烧蚀率和质量烧蚀率相对偏差都在5%以内。利用扫描电子显微镜和X射线能谱仪对烧蚀样品的微观形貌进行分析,对不同纤维增强酚醛树脂基复合材料的等离子烧蚀机理进行了探讨。

脂肪酸相变材料的封装制备及热工性质

本研究旨在解决能源供需在时间、空间和强度上的不匹配问题,以及单一相变材料存在的不足。采用原位聚合法制备了以月桂酸-肉豆蔻酸-棕榈酸-硬脂酸(LA-MA-PA-SA)四元低共熔脂肪酸为芯材,三聚氰胺改性酚醛树脂为壁材的复合相变微胶囊。通过扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)及热重分析仪(TG)对微胶囊进行表征。结果表明:当酚醛树脂预聚体合成的pH值为8~9、乳化剂为Span 60与Tween 60以质量比3∶7复合而成、胶囊化过程中搅拌速度为600 r/min及芯材与壁材质量比为1.37∶1时,所制备的微胶囊表面光滑、粒径分布均匀、包裹率较高,其相变温度和熔融潜热分别为32.93℃和87.67 J/g。微胶囊的芯材与壁材仅为简单的物理嵌合,且经过50次冷热循坏后,具有良好的储热性能和热稳定性。

萘酚对环保型酚醛树脂的改性研究

对萘酚改性环保型酚醛树脂(PF)进行了研究,通过差示扫描量热(DSC)、热重分析(TGA)仪和扫描电子显微镜(SEM)等对改性前后PF的耐磨、耐热性能及力学性能进行了对比。结果表明,改性后的PF耐磨性、耐热性和力学性能均比未改性时有很大程度的提高。萘酚改性的PF可将树脂的质量磨损损失降低54.9%,质量磨损损失率降低56.0%。改性PF的初始失重温度提高70～80℃,可将树脂在600℃时的残余量提高37%。改性后PF的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别比未改性时提高了519.7、360.4 MPa和43.2 kJ/m^2。

PF／MCM-41纳米复合材料的制备及其耐热性

采用原位聚合结合共混工艺制备了PF／MCM-41纳米复合材料,研究了耐热性．结果表明,当MCM-41粉的含量为 20％时,PF／MCM-41纳米复合材料中MCM-41粉的分散性及有机-无机两相间的界面结合良好;与纯PF比较,复合材料的质量损失达到50％(质量分数)时的温度提高约70℃,分解结束时的温度提高约100℃．介孔MCM-41中的纳米级孔遭能有效地限制其内树脂分子链的自由运动,是PF／MCM-41复合材料耐热性提高的机理．同时,其纳米级厚度的孔壁具有极好的耐热性和绝热性,在快速升温的条件下能延缓孔内树脂分子的热分解及分解产生的小分子产物的释放．

酚醛树脂烧蚀性能研究进展

简单介绍了在酚醛树脂烧蚀性能的改进研究中硼酚醛、钼酚醛、磷酚醛、聚酚醚和酚三嗪树脂的烧蚀性能,也介绍了使用芳基酚、烷基酚与DA改性剂改进的酚醛树脂的烧蚀性能,以及开环聚合酚醛树脂和新型酚醛树脂S-157与S-158的主要性能。同时介绍了氯化磷腈改性酚醛树脂和提高酚醛树脂成炭率的其它改性研究。指出了改性酚醛树脂仍然是今后常规武器系统使用的一种低成本热防护材料的树脂基体。

增湿处理对粉状酚醛树脂木质复合材料热压效果的影响

研究粉状酚醛树脂与废弃木质材料压制酚醛树脂木质复合材料时,表面增湿处理对热压过程中表层和芯层温度以及物理力学性能的影响。结果表明,增湿处理可缩短快速升温段时间31%,使得芯层终了温度接近热压板表面温度,提高材料的物理力学性能,材料的增湿量在5%-10%的范围内较为适合,增湿量为5%时最佳,静曲强度提高65.4%,内结合强度提高31.4%。

耐高温改性酚醛树脂复合堵剂体系的研制及性能评价

研制了耐高温改性酚醛树脂复合堵剂体系,并对其性能进行了评价。确定了可满足现场油田污水配制要求的复合堵剂体系最佳配方:3 000 mg/L HPAM+4.5%改性酚醛树脂+0.08%膨润土。性能评价结果表明,复合堵剂体系的耐温抗盐性能良好,可用于200℃的稠油热采井的调剖堵水作业;封堵性能良好,封堵率高达98.6%,80℃放置20 d进行后续水驱,封堵率变化不大,稳定性好。