ZrSi2/酚醛复合材料的制备及其耐热性能研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

自20世纪中叶以来，美国与欧洲各国开始了各种航天飞行器的研制。热防护系统tps(thermal protection system)，是用来保护航天飞行器在运行环境以及返回过程中过热与防止烧毁的关键结构。目前常用的有两种类型的热防护系统，即烧蚀型防热系统与可重复使用的热防护系统。其中，以烧蚀型防热系统应用最为广泛。烧蚀型防热系统可以应用于热流有波动或者是热流密度不能准确预测的飞行环境中，其结构相对简单，可通过改变防热层厚度来适应不同热环境下的防热要求。

烧蚀，就是飞行器再入大气层时与大气层摩擦，由热化学效应和高速机械剥离引起防热层材料表面消耗的现象。常用的烧蚀防热材料按烧蚀机理主要分为升华型、熔化型和炭化型。升华型烧蚀材料在高温下直接裂解成气体，如聚四氟乙稀、石墨、碳/碳复合材料等，此类材料的隔热性能较差但辐射系数较高，所以大多应用于短时间、高焓值、高热流环境的恶劣烧蚀环境中；熔化型烧蚀材料在烧蚀过程中熔融为液体，如玻璃、石英类材料，高温下二氧化硅熔融后形成的高粘度液态膜可以抵抗高速气流冲刷，同时可阻塞热流，起到对内部材料保护隔离的作用，所以此类防热材料大多应用于中等焓值、中等热流密度的烧蚀环境中；炭化型烧蚀材料一般由增强纤维和树脂基体组成，典型代表如酚醛树脂基复合材料，其主要利用酚醛树脂在高温状态下裂解吸热、裂解产生的气体对对流热量的阻塞效应等机理防热。此外，酚醛树脂高温裂解残炭率高，可形成炭化层，高辐射系数的炭化层通过辐射消耗热量，同时减少热量向内部传递，所以此类防热材料适用于较高焓值和热流密度且流场变化的烧蚀环境中。

在“火星科学实验室”着陆器的研制过程中，由于pica材料表面强度低，梯度致密化技术被用于了pica材料的改进中。即通过添加纤维或无机物颗粒等方法来增强表面，在烧蚀过程中材料表面形成致密层结构，由表面到内部达到致密到疏松的防热形式，降低烧蚀，满足热防护需要。

在这一思路的启发下，国内外研究人员通过化学改性酚醛树脂、改变碳纤维排列方式和无机物颗粒共混碳-酚醛复合材料来提高碳-酚醛复合材料的烧蚀性能。

2. 研究的基本内容与方案

(一)基本内容

1.不同添加量zrsi₂颗粒的zrsi₂/酚醛树脂复合材料制备的研究；

2.不同添加量zrsi₂颗粒的zrsi₂/酚醛树脂复合材料耐热性能的研究；

3.不同添加量zrsi₂颗粒的zrsi₂/酚醛树脂复合材料热残留物物相分析。

3. 研究计划与安排

l 第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

l 第3－5周：研究zrsi₂在酚醛树脂中的分散工艺。

l 第6－9周：按照设计方案，制备zrsi₂/酚醛树脂复合材料。

l 第10－12周：采用红外光谱、xrd、tg等分析方法研究不同添加量的zrsi₂颗粒对酚醛树脂固化过程、裂解过程、残炭率及裂解产物的影响

4. 参考文献（12篇以上）

1. s. z. wang, s. adanur and b. z. jang.: ‘mechanical and thermo-mechanical failure mechanism analysis of fiber/filler reinforced phenolic matrix composites’, composites, part b, 1997,28(3):215–321.

2. g. pulci, j. tirillo, f. marra, f. fossati, c. bartuli and t. valente.: ‘carbon–phenolic ablative materials for re-entry space vehicles: manufacturing and properties’, composites, part a, 2010,41:1483–1490.

3. jie ding, zhixiong huang, yan qin, minxian shi, chi huang, jiawei mao.: ‘improved ablation resistance of carbon–phenolic composites by introducing zirconium silicide particle’, composites, part b, 2015,82:100-107.