摘 要

C-Ph复合材料是一种轻质高强的耐高温隔热材料，作为新一代的烧蚀隔热材料在航空航天领域具有广阔的应用空间和光明的发展前景。本文通过预浸料模压来制备C-Ph复合材料，并引入不同含量的ZrSi₂微米级颗粒来研究其对材料力学与导热性能的影响。

通过对材料剪切强度，弯曲强度的测试，我们得到5%添加量，对常温剪切性能的增强达到最佳，15%的添加量，对材料的高温后剪切强度增强效果达到最佳。一定范围的添加量内（5%~15%），ZrSi₂的含量对常温下材料的弯曲性能影响不大，10%的添加量对材料高温后的弯曲性能增强效果达到最佳。通过对材料导热系数的测定，我们得出ZrSi₂的加入会增加其导热系数，当含量小于15%时，导热系数增加量不明显。

并通过孔隙率，失重率的测量，场发射扫描电镜对微观形貌的观察与EDS能谱的定性分析，研究ZrSi₂对材料高温后的增强机理。研究结果表明，ZrSi₂会与酚醛树脂裂解后的CO、CO₂、H₂O等物质反应生成ZrO₂、SiO₂和无定型玻璃碳，提高材料的残炭率，保护纤维，整体上提高C-Ph复合材料高温后的力学性能。

关键词：C-Ph复合材料，ZrSi₂，力学性能，导热系数，微观形貌

Abstract

C-Ph composite is a kind of light weight but high strength and high temperature insulation materials, as a new generation of ablative insulating material, it has a broad application and brighter prospect for development in the aerospace field. C-Ph composites is prepared by prepreg molding process in this paper. ZrSi₂ micron particles of different content is introduced to study its effect on the mechanical and thermal properties.

By the test of shear strength and flexural strength of material it found that 5% and 15% dose achieve the best shear performance in room temperature and 1000℃ high temperature treatment, respectively. The addition amount within a certain range (5% to 15%), it has little effect on bending property of the material at room temperature, 10% addition of ZrSi₂ achieve the best bending performance after high temperature treatment of materials. By measuring the thermal conductivity of the material, we got that ZrSi₂ can increase its thermal conductivity, when the content is less than 15%, there is no significant increase in thermal conductivity.

By the measuring of porosity, weight loss, SEM observation of the microstructure and Qualitative analysis of EDS spectrum, this paper researches enhancement mechanism of ZrSi₂ after high temperature treatment. The result shows that there are some reactions between ZrSi₂ and CO、CO₂、H₂O generated by the pyrolysis of phenolic resin, and the reaction product including ZrO₂、SiO₂ 、amorphous carbon can protect fiber and improve the overall mechanical properties of C-Ph Composites at Elevated Temperature.

Key words: C-Ph composite, ZrSi₂, Mechanical properties, Thermal conductivity, Microstructure

目 录

第1章 绪论 1

1.1碳酚醛复合材料的概述 1

1.1.1碳纤维 1

1.1.2 酚醛树脂 1

1.1.3 ZrSi₂ 2

1.2研究的背景、目的和意义 2

1.3国内外研究现状 3

1.4课题研究内容及预期目标 3

第2章 ZrSi₂/C-Ph复合材料的制备与基本参数测定 5

2.1实验实施方案 5

2.2实验原材料及设备 5

2.2.1原材料 5

2.2.2实验设备 6

2.3不同ZrSi₂含量的C-Ph复合材料的制备 6

2.3.1预浸料的制备与切割 6

2.3.2 ZrSi₂/C-Ph复合材料的模压成型 7

2.4标准测试试样的制备 8

2.5高温热处理实验 9

2.6孔隙率测定 11

2.7本章小结 13

第3章 ZrSi₂对C-Ph复合材料在常温和高温后力学性能影响的研究与分析 14

3.1试样在常温下和高温后剪切性能研究 14

3.1.1剪切测试 14

3.1.2场发射扫描电镜（SEM）剪切面形貌观察 16

3.1.3 结果分析与改性机理研究 19

3.2试样在常温下和高温后弯曲性能研究 20

3.2.1弯曲测试 20

3.2.2场发射扫描电镜弯曲断面观察 22

3.2.3结果分析与改性机理研究 25

3.4本章小结 25

第4章 ZrSi₂对C-Ph复合材料导热系数影响的研究与分析 27

4.1隔热性与导热系数 27

4.2试样导热系数的测定 27

4.3测试结果分析 28

4.4本章小结 28

第5章 结论 29

参考文献 31

致 谢 33

第1章 绪论

1.1碳酚醛复合材料的概述

1.1.1碳纤维

碳纤维是一种含碳量在90％以上不完全石墨结晶化的纤维状碳素材料^[1]。它具有优异的耐温耐腐蚀性，具有导热、导电和密度低等特点，同时它还兼具拉伸性能好，各向异性等优点。进一步在2500℃以上对C纤维高温处理后，可以得到含碳量高达99%以上高模量、有序结构的石墨纤维^[1]。常见的碳纤维有三种：粘胶丝基碳纤维、PAN基碳纤维和沥青基碳纤维。PAN碳纤维主要用于结构材料，粘胶丝基碳纤维主要用于烧蚀防热材料，沥青基碳纤维较前者具有更好的经济性以及较高的模量。

在力学方面，碳纤维的突出特点是具有高的比强度和比模量。例如T1000的拉伸强度为7.02GPa，PAN基石墨纤维M70J拉伸模量为690GPa,石墨晶须的拉伸强度高达21GPa^[2]。碳纤维的另一特性是具有极高的耐热性，在惰性空气中，即使温度超过2000℃。碳纤维仍具有承载能力．最高工作温度大于2500℃，远高于已知的其他纤维，因此也具有优异的耐烧蚀性。此外，碳纤维在低温、水、油、辐射等领域也表现出优异的性能。碳纤维的应用空间逐渐扩大，大的应用领域有新能源，汽车，飞机，和基础设施领域，除此之外，在海洋油气田上也具有很大的空间。波音787中，碳纤维的用量为35t左右，宝马汽车的车用碳纤维的专门生产，碳纤维复合芯电缆的研发和应用，无不说明了碳纤维正在深入到国民生产与生活的各个领域^[2]。