1.1目的及意义

目前国内外绝大多数采用酚醛树脂、有机硅树脂作为航天器、导弹热防护复合材料的树脂基体。但随着航空航天、武器及装备的发展，材料的使用条件日趋苛刻、日渐复杂，传统上广泛使用的酚醛树脂类材料已不能满足新型导弹、飞行器防热材料的要求。为制得性能优良的烧蚀材料，进一步提高耐热性能和耐烧蚀性能，国内外对树脂基热防护材料进行了大量的研究工作，其中通过树脂改性或选择优异性能的树脂基体，通过合理设计，使树脂基体材料在使用过程中原位生成耐高温、抗氧化的陶瓷类物质而赋予材料优异的热防护性能成为具有发展潜力的研究方向。

树脂基材料在高温环境中使用时原位生成的陶瓷主要包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等。陶瓷类材料由于具有高比强，高比模、高可靠、耐高温和抗烧蚀等优异性能，从而达到热防护的效果。

对于加入陶瓷粉改性后的热防护材料，虽然其热防护能力有了一定的提升，但是其也存在着密度较大，材料的导热系数较大等一系列问题。这对于飞行器来说减小了其在高空环境中的飞行距离。因此，对热防护材料进行进一步的性能优化，对其进行梯度设计是一种有效的方法。随着陶瓷粉的含量降低，材料导热系数逐渐降低，因此梯度热防护材料的导热系数减小，材料外侧陶瓷粉含量较高，在烧蚀过程中形成致密的氧化膜，阻止了氧气的进入，内侧材料陶瓷粉含量逐渐降低，导热系数降低，起到了隔热的作用。同时梯度材料减少了陶瓷粉的添加含量，这样材料的密度大大降低。因此，对热防护材料进行梯度设计，是为了保证材料热防护性能的同时，减小其密度，延长飞行器在高空中的工作时间和飞行距离。

酚醛树脂基梯度热防护复合材料是利用硼酚醛、陶瓷粉、增强纤维复合而成的一种梯度防热材料，其在高温条件下生成的陶瓷可以有效地隔绝热量，其外表层层为抗烧蚀、抗剪切的紧密结构材料，有效地阻止烧蚀对材料结构的破坏，中间为缓变过渡区，避免材料结构性能出现较大的跳跃，内层为低密度、低热导率的疏松隔热材料，有效地阻止了热量的向内传递，同时有效地降低了材料的密度。该类材料质轻，防热性能良好，使得飞行器在恶劣的条件下可以工作更久，满足了航空航天领域新的发展需求。

1.2国内外研究现状

功能梯度材料设计思想是由日本材料学家于 1986年首先提出的。功能梯度材料（Functionally Graded Materials，FGMs）的结构与组成在空间连续变化，使得材料的功能以及性能呈现梯度变化。这种新型功能梯度复合材料消除了界面这个问题，通过材料梯度设计，使其结构性能较传统复合材料更强，从而能更好地发挥复合材料的优势。

热防护材料的发展与航空航天领域不断的发展有着密不可分的关系，目前飞行器上用于烧蚀防热型树脂基复合材料的增强纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、高硅氧纤维、石英纤维等，常用的树脂基体有有机硅、酚醛、聚芳炔、聚酰亚胺等。酚醛树脂基防热复合材料因成本低，成型工艺简单、耐烧蚀性能优异，是飞行器上应用最广泛的防热材料。目前，树脂基防热复合材料的研究和应用逐步从单功能向多功能方向发展，如承载－防热、烧蚀防热－隐身、烧蚀防热－透波复合材料等多功能复合材料。例如“阿波罗”飞船使用的Avcoat－5026 烧蚀材料，“双子星座”飞船所采用的“DC－325”烧蚀材料，NASA 开发的用于火星探测器进入舱的 SLA－561－V 防热材料，Ames 研究中心开发的 PICA 材料已成功应用于“星尘号”返回舱热防护系统。NASA 的 SRAM 系列和 PhenCarb 系列轻质炭化型烧蚀材料，我国神舟系列载人飞船防热所用的 H88、H96 低密度烧蚀材料，都已在多个型号上得到成功应用和飞行验证。

1.3社会环境因素影响

由于陶瓷粉的密度远大于硼酚醛，梯度热防护材料的出现，大大降低了热防护材料的质量，这使得材料的密度得到了大幅下降，用于航天飞行器上可以减轻飞行器的重量，增加飞行器的航行时间和距离，节约燃料费用，且原料的价格便宜，因此在成本方面具有很大的优势。由于酚醛树脂在受热时不会产生有毒有害的气体，释放出的烟量很少，且在硼的改性下，树脂的耐热性得到了很大的提高，残碳率提高，分解释放的产物较少，因此对于环境保护是十分友好的，不会对环境和人体健康产生大的危害。此外，由于梯度热防护材料具有优良的隔热功能，在飞行器工作时防护材料内侧的温度会保持在较低的水平，因此飞行器在工作过程中是相当安全的，不会因与外界剧烈摩擦而受到损坏。现在，地球上的资源日渐枯竭，地面上的资源已不能够长时间的维持人类的生产发展，梯度热防护材料有利于航天器在更高的深空进行探索发现，为解决资源问题提供了一个新的探索方向，对于社会的稳定，推动社会经济的进步有重要意义。