RTM酚醛树脂复合材料烧蚀特征分析.pdf

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1、RTM酚醛树脂复合材料烧蚀特征分析李卫方1，石松1，何安荣2，李仲平1，冯志海1(1航天材料工艺研究所，先进功能复合材料技术国防科技重点实验室，北京100076；2北京34信箱26分箱，100076)摘要采用RTM成型工艺制备出2．5D石英织物增强RTM酚醛树脂复合材料，通过SEM观察与宏观分析相结合的方式分析3种RTM酚醛树脂复合材料烧蚀后形貌，研究3种材料的烧蚀性能和烧蚀特征。研究结果表明：3种RTM酚醛树脂复合材料烧蚀特征主要呈现为烧蚀表面有石英纤维熔化物，碳化层树脂呈开裂状；树脂碳的裂缝大

2、小及开裂方式是影响烧蚀性能的关键因素之一；改性后的2．5D织物增强RTM酚醛树脂复合材料与RTM成型的常规酚醛树脂复合材料的烧蚀性能相当。关键词RTM酚醛树脂复合材料表面烧蚀特征扫描电镜0引言近年来，国际上先进复合材料技术研究发展的“生长点”之一是先进复合材料的液体成型技术，其中RTM成型工艺即树脂传递模塑技术是其重要代表之一【1]。它主要具备闭合模成型、环境污染少、低压注胶、操作简单、可精确控制材料的组分、实现净尺寸复合成型等特点。鉴于现代武器与复合材料的发展，研制RTM成型高性能酚醛复合材料已

3、成为提高武器性能的途径之一。它的创新点在于研制出的RTM成型高性能酚醛复合材料与传统工艺成型的防热复合材料相比，具有气孔率较低、高残碳率、产品稳定性好、可以制作复杂结构的薄壳产品、制造成本低、生产效率高等特点。本文研究了RTM酚醛树脂复合材料烧蚀性能，采用SEM观察与宏观分析相结合的方法对3种RTM酚醛树脂复合材料在特定烧蚀条件下的物理和化学的综合过程、质量损失方式、烧蚀后形貌等烧蚀特征进行分析，为确定材料工艺方案提供依据。1实验1．1原材料3种RTM酚醛树脂：P1，P2，P3；平板织物：2．5D

4、石英纤维织物。1．2成型工艺采用RTM成型工艺制作2．5D织物增强RTM酚醛树脂复合材料平板，加工出材料烧蚀性能试样。RTM成型工艺流程：装模(织物)_真空浸渍(树脂)_固化(烘箱)_脱模_加工试样。1．3测试方法‘烧蚀试验：小发动机烧蚀试验，试验时间为10s。SEM分析：从上述3种树脂复合的复合材料烧蚀后的平板上取试样若干，采用电子扫描电镜S一250对其微观结构进行分析研究。·398·2结果与分析2．1RTM酚醛树脂复合材料烧蚀性能试验通过对不同批次的RTM酚醛树脂进行黏度、残碳率、红外、DSC

5、等的测定，基本掌握树脂的性能、质量的变化趋势，在树脂固化机理研究的基础上，对树脂的配方进行改进，对改进的树脂(P2树脂、P3树脂)进行了相应的工艺试验及烧蚀性能的试验，表1为烧蚀试验数据，图1、图2为改进前后材料烧蚀的照片。结果显示，P1增强的复合材料(1#)烧蚀后有剥蚀现象，改进后的材料(2#、3#)烧蚀后表面状态较好，烧蚀速率与RTM成型的常规酚醛树脂增强复合材料的相当。表1RTM酚醛树脂复合材料烧蚀试验数据表1中1#一3}}试样对应烧蚀特征分析的3种材料。图1树脂改性前的烧蚀试样(1#)照片

6、图2树脂改进后材料(2#)烧蚀的照片2．2RTM酚醛树脂复合材料烧蚀特征，2．2．11}；I复合材料图3所示1群复合材料烧蚀表面熔化层覆盖率超过50％，有凹凸状起伏，有些熔化物上有凹坑和孔洞。从图4可观察到在树脂碳上石英纤维熔化后聚集在烧蚀表面，尺寸不等，同时可见石英熔球。·399·图31#材料低倍相图4l群材料中石英纤维烧蚀熔化状态由图5和图6看出，暴露出的碳化层裂缝较多，裂缝较宽，可达50斗m以上，裂缝多形成在树脂碳富集区；还观察到在碳化层中有些区域表面有石英熔球及较大的熔化物，有些熔化物中有

7、气孔，气孔有些已经破损。在碳化层中孔隙比较多，还可以看到较大尺寸的孔隙，其宽度可达30岬以上，长度可达300I,Lm以上。还观察到碳化层中的块状剥蚀现象，尺寸不等，见图7和图8。图51峁材料中纤维束原位树脂碳图71#材料剥蚀及树脂碳图61静材料树脂碳裂缝图8l#材料剥蚀及树脂碳结合以上特征可以分析出1样材料烧蚀特征主要呈现为烧蚀表面有石英纤维熔化物，碳化层树脂呈开裂状，材料的树脂碳呈多孔态，这种树脂碳强度低，与纤维结合较差，碳层不坚固，抗氧化性差，在气动力作用下极易流失而发生机械剥蚀旧J。2．2．

8、22#复合材料图9显示烧蚀表面熔化层覆盖率较高，在观察样品部位大于50％，呈波浪状分布；图10显示碳化层中孔隙率和孔洞较多，纤维束中石英熔化流失后留下带石英纤维沟槽的树脂碳，沟槽中和树脂碳之间的间隙存在石英熔化圆球。同时可观察到树脂碳富集区有裂缝，宽度不等，从1岫，到10¨皿居多，裂缝数量较少，不十分严重。图92蹦料低倍相图102埘料树脂碳富集区裂纹图112榭料中石英熔化物气泡图图122#材料中纤维束原位树脂碳图11显示树脂烧蚀后形成碳层，石英熔化区有些地方有气孔(或称气泡)，烧蚀