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碳纤维复合材料的应用研究进展姜楠＜湖北大学材料科学与工程学院，武汉430062）摘要：本文概述了碳纤维复合材料vCFRP）的性能特点和应用研究进展。
简要介绍了碳纤维复合材料在大飞机制造业，深海油气田，非织造设备等方面的应用情况，碳纤维复合材料湿热性能和抗氧化烧蚀技术的研究进展以及国内外的研究状况。
关键词：碳纤维复合材料大飞机深海油气田非织造设备湿热性能抗氧化烧蚀技术应用研究1前言碳纤维复合材料＜CFRP）自20世纪50年代面世以来就主要用于军工，航天，航空等尖端科学技术领域，其高强、高模、轻质、耐热、抗腐蚀等独特的性能使其在飞机、火箭、导弹、人造卫星等方面发挥了巨大作用。
随着CFRP材料性能的不断完善和提高，其优越的性能逐步被认可及价格的大幅度下降，使得它在民用工业上的应用逐步扩大，目前在土木建筑、纺织、石油工业、医疗机械、汽车工业等领域得到了广泛应用。
2CFRP材料的性能特点碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。
其最高强度已达7000MPa ，最高弹性模量达900GPa,而其密度约为1.8~2.1g/cm3,并具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温等优异性能，是一种很有发展前景的高性能纤维。
碳纤维由高度取向的石墨片层组成，并有明显的各向异性，沿纤维轴向，强度高、模量高，而横向性能差，其强度和模量都很低。
因此在使用时，主要应用碳纤维在轴向的高性能。
[1-2]碳纤维是黑色有光泽，柔软的细丝。
单纤维直径为5~10pm，一般以数百根至一万根碳纤维组成的束丝供使用。
由于原料和热处理工艺不同，碳纤维的品种很多。
高强度型碳纤维的密度约为 1.8g/cm3,而高模量和超高模量的碳纤维密度约为1.85~2.1g/cm3。
碳纤维具有优异的力学性能和物理化学性能。
碳纤维的另一特征是热膨胀系数小，其热膨胀系数与石墨片层取向和石墨化程度有密切的关系。
碳纤维具有优异的耐热和耐腐蚀性能。
在惰性气氛下碳纤维热稳定性好，在2000C的高温下仍能保持良好的力学性能；但在氧化氛围下超过450C碳纤维将被氧化，使其力学性能下降。
2021年第1期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.1 2021 总第378期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.378收稿日期：2020-11-20；修回日期：2020-12-14 基金项目：国家自然科学基金（11902364）文章编号：1004-7182(2021)01-0024-05 DOI ：10.7654/j.issn.1004-7182.20210105多层热防护结构烧蚀传热模型研究丁 晨，牛智玲，单亦姣，张子骏，王 尧（中国运载火箭技术研究院，北京，100076）摘要：多层热防护结构由防热层与隔热层等多层热防护材料组成，在气动热作用下存在复杂的烧蚀与传热过程。
为准确预示多层热防护结构温度响应特性，建立了气动热环境下防热材料烧蚀模型，提出了烧蚀导致的变厚度多层结构传热数值计算方法，研究了气动热环境下多层热防护结构温度分布随时间变化规律，分析了多层热防护结构厚度分布对防热效果的影响。
研究表明，提出的模型能准确预示多层热防护结构烧蚀与传热过程，热量传导至承力结构后，隔热层内温度梯度大于防热层内温度梯度，在满足隔热层温度、烧蚀裕度以及工艺要求前提下，增大隔热层厚度能提高热防护性能。
关键词：热防护；烧蚀；多层热防护结构中图分类号：TB332 文献标识码：AHeat Transfer and Ablation Model for Multi-layer Thermal Protection SystemDing Chen, Niu Zhi-ling, Shan Yi-jiao, Zhang Zi-jun, Wang Yao(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)Abstract: Multi-layer thermal protection system is consisting of thermal protection layer and thermal insulation layer. Thereexists complex process of ablation and heat transfer under the effect of aerodynamic heating. In order to predict the temperature response for the multi-layer thermal protection system, the ablation model and the thermal conduction model for variable thickness caused by the ablation were proposed. Moreover, the temperature response for the multi-layer thermal protection system and the effect of the thickness distribution for different layers were discussed. It shows that the developed model can predict the ablation process and the heat transfer. As the heat is transferred to the structure, the temperature gradient in the insulation layer is higher than that in the thermal protection layer, and increasing the thickness of insulation layer can improve the thermal performance of the thermal protection system under the premise of temperature requirements, ablation margin and the technical requirements.Key words: thermal protection; ablation; multi-layer thermal protection structure0 引 言航天飞行器在大气层内长时间高速飞行时，飞行器表面与大气剧烈摩擦，形成了对飞行器严重的气动加热与气流剪切力，可能导致结构性能下降、设备功能失效，影响飞行器可靠性与安全性，甚至导致飞行失利。
1997年 玻璃钢 复合材料 1997第1期 F iber R einfo rced P lastics Com po sites №1热防护材料的新进展芳基乙炔共聚物的碳纤维增强材料焦扬声 庄元其(华东理工大学 上海 200237)摘要: 芳基乙炔共聚物有很高的残碳率,在1000℃高温下残碳率可达85%～90%。
预聚物在0.7～1.4M Pa压力下,于150～200℃固化交联,固化过程中没有小分子物产生。
共聚物对碳纤维有较好的粘接力,可以用缠绕、模压工艺制备固体火箭发动机的热防护构件。
这是进入90年代以后国内外烧蚀材料和碳 碳复合材料领域中的重大进展。
〔1～3〕。
关键词: 烧蚀材料 碳纤维 芳基乙块共聚物1 热防护材料的现状战略导弹的端部装置结构复杂,工作条件极其恶劣。
除要满足重返大气层时10～20倍音速的高速度,30～50倍的空气动力载荷,几十兆帕的局部压力,3600℃以上空气动力热及“等离子鞘套”形成通讯中断的“黑障”等环境要求外,还要承受空间辐射、空间粒子撞击。
战略导弹头结构一般由鼻锥体、上下壳体截锥体、天线窗和底遮板等组成。
这些部件通常称为烧蚀防热构件,传统的都以碳2酚醛、石墨2酚醛、硅2酚醛材料经缠绕、模压而制成。
传统的酚醛树脂,由于其固化和热分解过程中有大量小分子物逸出,通常其残碳率为50%～60%。
由于酚羟基及小分子物通道形成的微孔,使酚醛树脂材料的吸湿性很大,严重时可达10%。
例如回收到的某型号碳纤维-酚醛制成的固体火箭推进器的喷嘴,发现由于高温裂解,大量高压气体的产生,形成构件深部有许多规则排列的沟漕〔4〕。
长期以来,又没有其它类型的材料进行替代,所以在航天器设计中,不得不加大安全系数,增加了这些部件的重量。
火箭设计工程师和制造者都希望有更好的材料出现,以改变现状。
2 芳基乙炔基共聚物及其碳纤维增强材料芳基乙炔及其共聚物最大优势在于它们是高交联度的加聚型全芳环聚合物,在惰性环境中于高温下,仅有10%的挥发热解产物,而酚醛树脂高达40%以上。
碳碳复合材料的研究进展材料科学与工程学院 11N091820030 许明阳碳/ 碳(C/ C) 复合材料是碳纤维增强碳基体的复合材料,具有高强高模、比重轻、热膨胀系数小、抗腐蚀、抗热冲击、耐摩擦性能好、化学稳定性好等一系列优异性能,是一种新型的超高温复合材料。
C/C 复合材料作为优异的热结构、功能一体化工程材料,自1958 年诞生以来,在军工方面得到了长足的发展,其中最重要的用途是用于制造导弹的弹头部件。
由于其耐高温、摩擦性好,目前已广泛用于固体火箭发动机喷管、航天飞机结构部件、飞机及赛车的刹车装置、热元件和机械紧固件、热交换器、航空发动机的热端部件、高功率电子装置的散热装置和撑杆等方面。
C/ C 复合材料种类多、性能各异,为此人们针对特定的用途来设计合适的C/ C 复合材料。
由于碳/ 碳复合材料具有以上特征,自20 世纪50 年代末问世起就引起了全世界的关注, 各发达国家纷纷投入这方面的研究。
到60 年代末至70 年代初,美国就将其用于火箭喷管, 英国用于协和号飞机刹车盘。
自此碳/ 碳复合材料在欧美得到了很大发展。
80 年代以后, 更多国家进入了这一研究领域, 在提高性能、快速致密化工艺研究及扩大应用等方面取得很大进展。
近两年, 我国中南大学、航天科技集团公司和西北工业大学科研人员分别用CLVD( 化学液气相沉积) 法和CLVI(化学液相气化渗透) 工艺制备出碳/ 碳复合材料, 济南大学用RCLD(快速化学液相沉积)制备出1D 和2D 碳/ 碳复合材料。
碳/ 碳复合材料由于制备周期长、工艺复杂、成本高等因素, 其应用范围仅限于军事、高科技等领域, 而在民用领域远远尚未开发。
1、碳/碳复合材料的制备工艺1.1碳/碳复合材料的预成型体和基体碳在进行预制体成型前,根据所设计复合材料的应用和工作环境来选择纤维种类和编织方式，预成型体是一个多孔体系，含有大量空隙。
如三维碳/碳复合材料中常用的结构的预成型体中的纤维含量仅有40%，也就是说其中空隙就占60% 。
阻燃材料的复合材料研究一、引言阻燃材料广泛应用于建筑、航空航天、电子、汽车等领域，以降低火灾事故对人们生命财产的威胁。
然而，传统的阻燃材料存在耐热性能差、机械性能下降和加工困难等问题。
为了克服这些问题，研发阻燃材料的复合材料成为科学家们的研究重点。
本文将介绍阻燃材料的复合材料研究进展以及其在火灾安全方面的应用。
二、阻燃材料的复合材料研究方法1. 添加纳米填料纳米填料在复合材料中起到增强材料阻燃性能的作用。
例如，氧化石墨烯、金属氢氧化物和纳米陶瓷颗粒等纳米填料能够形成屏障，阻挡火焰和热量的传播，从而提高材料的阻燃性能。
2. 表面修饰通过改变复合材料表面的特性，可以提高阻燃材料的耐热性能和阻燃性能。
常用的表面修饰方法包括聚合物单体的原位聚合和表面包覆等。
3. 界面改性优化界面相互作用能够提高阻燃材料的力学性能和热稳定性。
采用界面改性技术，如界面胶接和界面涂覆等，可以增强材料的界面结合强度，从而提高阻燃材料的综合性能。
三、阻燃材料的复合材料在火灾安全中的应用1. 建筑领域阻燃材料的复合材料在建筑领域中广泛应用。
例如，在屋顶和墙体的隔热材料中添加阻燃剂，可以提高建筑物的耐火性能；利用阻燃材料的复合材料制作防火门窗，可以延缓火势蔓延，增加人员疏散时间。
2. 电子领域电子设备中的阻燃材料必须具有优异的阻燃性能和热稳定性。
将阻燃材料与导热材料复合，可以提高设备的散热性能，防止因温度过高导致的火灾事故。
3. 汽车领域阻燃材料的复合材料在汽车制造中具有重要的应用前景。
通过在汽车内饰中添加阻燃材料，可以减少车内火灾事故的发生概率；利用阻燃材料的复合材料制作车身结构部件，可以提高车辆的耐火性能。
四、阻燃材料的复合材料的挑战与机遇阻燃材料的复合材料在应用过程中仍面临一些挑战。
例如，复合材料的加工困难、性能的稳定性和经济性等问题。
然而，这些挑战也为科学家提供了机遇，推动阻燃材料的复合材料研究不断进步。
五、结论阻燃材料的复合材料研究是当前科学家们关注的热点领域。
第23卷第5期宇 航 学 报Vol .23No .52002年9月Journal of Astr onauticsSeptem ber 2002收稿日期:2001-12-03,修回日期:2002-07-08。
基金项目:国家自然科学基金资助(批准号:10102005,19932030)C /C 复合材料高温热物理性能实验研究易法军,张 巍,孟松鹤,杜善义(哈尔滨工业大学复合材料研究所,哈尔滨150001)摘 要:实验研究了烧蚀防热C /C 复合材料从常温到高温的等效热膨胀系数、热扩散率、比热随温度的变化情况,并计算了材料不同温度下的热导率与抗热应力系数。
结果表明:材料的热膨胀系数很小,接近零膨胀。
热扩散率随温度升高而下降,比热随温度升高近似比例增加,而热导率随温度的变化规律与热扩散率相似。
材料的抗热应力系数随温度的升高变化不大,抗热震性能稳定。
关键词:C /C 复合材料;热膨胀系数;热导率;抗热应力系数中图分类号:TB33 文献标识码:A 文章编号:1000-1328(2002)05-0085-040 引言烧蚀防热材料是返地航天器头部防护气动加热的关键材料,碳基复合材料具备烧蚀率低、烧蚀热高、抗热震性能及高温力学性能优良等特点,因而,在航天器再入环境下碳基复合材料是颇具前途的高性能烧蚀材料。
其中C/C 复合材料的使用温度可高达2000℃以上,是目前能用于2000℃以上热结构的理想备选材料[1,2]。
随着“结构·材料·设计一体化”思想的提出,工程结构的设计向着小型化、轻型化方向发展,对材料要求也越来越严格,对结构的设计与评价也越来越细致,因而,材料在超高温下的热物理性能的实验研究就显得特别重要。
C/C 复合材料的高温热物理性能是工程结构设计必不可少的数据,文献[3]测定了不同热处理温度下C/C 复合材料的导热系数。
本文通过实验手段,研究了C/C 复合材料的热膨胀系数、比热、热扩散率和热导率随温度的变化情况,并讨论了材料的抗热震性能。
树脂基烧蚀材料研究进展许孔力，夏 雨，李丽英，许学伟，汪 东，李 峥，谢永旺(航天特种材料及工艺技术研究所，北京 100074)摘要：树脂基烧蚀材料目前已成为应用最成熟、最广泛的热防护材料体系之一。
随着航天技术的不断发展，为满足不断 严苛的飞行器热防护的需求，国内外均针对树脂基烧蚀材料开展了大量研究工作。
本文重点从树脂基烧蚀材料的树脂基体、填料、增强纤维、轻量化和烧蚀性能测试等五个方面，介绍了国内外树脂基烧蚀材料的研究进展与现状，并指出未来树脂基烧蚀材料的研究工作将呈现出多元化、协同化等特点。
关键词：树脂基；烧蚀材料；进展中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：2096-8000( 2021) 02-0123-061冃IJ 言热防护系统(Thermal Protection System,简称“TPS ”),是航天飞行器在大气层气动加热环境中，保护飞行器免遭过热或者烧毁的防护系统。
目前热防护材料主要分为两大类:可重复使用热防护材料与烧蚀热防护材料。
其中可重复使用热防护材料如超高温陶 瓷、隔热瓦/毡、盖板式气凝胶等在典型热环境下基本不发生质量损耗，但大多仅限用于相对温和热环境。
而烧蚀热防护材料虽然可以适应更恶劣的热环境,但其缺点是由于会发生烧蚀损耗,基本仅限一次性使用，而且使用时间有限。
上述两种热防护材料分别适用于所适应的各自热环境⑴,目前在航天器领域均有较为广泛的应用，其分别适用热环境如图50005000500050033 2 2 1 1O示J 756O 453O 15O听10 20 30 40 50 60ELOCITY X 10 3 ft/sec(APPROXIMArE MACH NUMBER)0 3 69 12 15 18 20km/sec图1可重复使用热防护系统与烧蚀热防护系统所适用的热环境⑴Fig. 1 Reusable thermal protection system and ablation thermal protection system applicable thermal environment ⑴烧蚀材料在高温热环境下，通过综合性的热化学/物理反应(如分解、裂解、碳化、氧化等化学反应,以及融化、升华等物理现象)，在消耗材料本体的同FAR SOLAR SYSTEM RETURN1071061051041031021010时,通过上述反应及产生的气体将材料表面的咼温热流进行阻隔/吸收，并向外发射一部分质量流与辐射流,降低热量向烧蚀材料内部或者飞行器内部传递，为主动型热防护方式。
