低密度玻璃_酚醛复合材料常温及高温压缩性能研究.pdf

摘要

/(LowDensityGlass/Phenolic,LDGP)

低密度玻璃酚醛烧蚀材料具有良好的

密度可设计性，防隔热性能，是高焓、中低热流密度、长时间航天器大底、侧

/

壁等部位的关键候选材料。由于低密度玻璃酚醛复合材料成型工艺的复杂性，

准确地预报该类材料的力学性能是一个挑战，其次，该类热防护材料在真实服

役过程中，需要长时间遭受气动热和气动力载荷，对材料的压缩性能有一定的

要求，尤其是高温压缩性能，进而确保整个热防护结构的结构完整性和承载能

力，然而该类材料在高温热流载荷下会发生热解反应，材料从表面到内部依次

形成碳化层、热解层和原始材料层，对应的环境从空气环境逐渐变为真空环境，

目前尚无有效的测试方法获取相应环境下的高温力学性能，导致材料高温力学

性能数据缺失。

本文针对以上两个问题，考虑原始材料的微结构特征，通过层级预报的方

法预报了材料的常温力学性能，并针对原始材料及碳层所处的气体环境，开展

了相应环境下的高温压缩实验，结合材料的高温结构演变规律，分析了原始材

料及碳层在高温下的力学行为和失效机制。

首先，利用SEM和Micro-CT对原始材料及碳层的微细观结构特征进行较

为系统地观测，分析了碳层结构的高温演变规律，统计了常温材料力学性能预

报所需要的几何参数。发现材料为2D编织结构，预制体中含有玻璃纤维，石

英纤维和有机纤维三种纤维束，基体含有大量随机分布的玻璃微球；运用图像

处理的方法统计了玻璃微球的直径，纤维束截面尺寸和纤维束的幅值特征，其

中玻璃微球外径服从Gamma分布规律，得到了复合材料的几何模型参数；在

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500C~1500C下使材料充分热解，生成多孔碳层，分析了碳层结构的高温演

变规律，发现随着热解温度升高，材料依次会发生基体的热解，有机纤维的热

解，玻璃微球和玻璃纤维的熔融和石英纤维的熔融，且温度越高，碳层中产生

的裂纹与孔洞越多。

其次，建立了一种针对LDGP材料的层级力学性能预报方法，预报了含玻

璃微球基体、三种纤维束和复合材料的刚度和强度性能。根据基体中玻璃微球

的外径分布规律，建立了玻璃微球的RVE模型，运用有限元方法预报了基体的

刚度性能，将随机分布的玻璃微球看作基体中的多个夹杂，根据简单立方体强

度理论，推导了多个玻璃微球夹杂下基体的强度；运用经验公式预报了三种纤

维束的刚度和强度；基于基体和纤维束的力学性能，建立了复合材料的RVE模

型，通过施加周期性边界条件，利用有限元方法预报了材料的刚度性能；考虑

组份材料的损伤，调用UMAT子程序对材料在面外压缩载荷作用下的渐进损伤

过程进行了分析，发现损伤在基体与纤维束界面的最大弯曲处开始萌生，沿着

基体界面扩展直至基体内部，而纤维束损伤程度较小。在室温下开展了基体和

复合材料面外压缩实验，验证了模型的可行性。

最后，开展了相应环境下原始材料及其碳层的高温压缩实验，分析了原始

材料及碳层的高温力学行为，结合碳层的结构演变规律，提出了材料性能在700

oC下的强化机制。通过实验环境设计、氧化温度点设计、保温时间设计、开展

了LDGP材料在大气和真空环境下的高温压缩实验；在大气环境下，材料压缩

强度对纤维方向不敏感，压缩呈各向同性，材料的压缩强度随温度的升高逐渐

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降低，但在700C时出现突然增加；在700C，1100C和1500C的真空环境

下，原始材料及碳层在高温下的力学行为与原始材料在大气环境下的高温力学

行为相似，在700oC材料强度显著提高；开展了碳层在室温下的压缩实验，结

合碳层的高温结构演变规律，提出了材料在700oC时软相碳层填充弥合裂纹和

纤维熔融增韧的强化机制。

关键词：低密度复合材料；微细观建模；力学性能预报；高温力学行为；强化

机制

Abstract

Low-densityglass/phen