摘要
高性能纤维增强树脂基复合材料替代铝合金、合金钢等承力结构用金属材料，很大程度上推动了飞行器结构的轻量化发展，使其飞行机动性、飞行速度和运载能力等获得大幅提升。与此同时，飞行器速度的提高也带来大量气动热，使其结构面临更加严苛的热环境。目前，航天系统主要在飞行器结构外层设置防热涂层、隔热涂层等方式满足高温环境下的使用要求。这种传统的结构防热不仅成本高昂，而且也会因重量增加、结构与防热层存在热膨胀系数差异等因素降低飞行器整体的可靠性。因此，人们开始转向研发兼具耐高温和高性能的树脂基复合材料。本论文以解决我国航天航空工业中急需的轻质耐高温复合材料为导向，通过对苯并噁嗪和邻苯二甲腈两种树脂改性提高其耐温性，并兼具适应传递模塑(RTM)或热压罐成型工艺进行了研究,制备出高性能耐高温树脂基复合材料;通过对此两类树脂基复合材料的热物理和力学性能的测试分析，系统评估了其一定温度环境下的承力特性，并揭示了不同成型工艺下两类复合材料随温升的破坏机理。主要研究内容及结论如下: ①通过在苯并噁嗪树脂合成阶段引入间氨基苯乙炔(APA)的方法，制备出炔基改性苯并噁嗪(AFBEN)树脂，使其在110℃下灌注工艺窗口长达220分钟，改善了树脂流变特性满足了RTM成型工艺要求。AFBEN在220℃固化后的浇铸体的玻璃化转变温度（Tg）达到370℃，具备了树脂低温固化耐高温特征。以AFBEN树脂为基体，采用RTM工艺制备出碳纤维增强复合材料(CF/AFBEN)，并对其高温力学性能及损伤特征进行研究，发现该材料的各项力学性能在250℃内可保持稳定，在350℃下仍可保持室温力学性能的60.0％以上。在此基础上，选用多元表达式模型，根据试验数据拟合出CF/AFBEN在室温至350℃之间随温度变化的力学性能曲线，经验证可有效预测此温度范围CF/AFBEN的力学性能。通过对CF/AFBEN在不同温度下的应力-应变行为与界面破坏特征的比较分析，发现在150℃以下主要是由于两相界面结合力不足而导致复合材料破坏;在250℃和300℃时，复合材料中的树脂基体强度降低则成为引发裂纹的主要原因之一;在350℃时树脂基体的直接破坏是导致试样破坏的关键因素。 ②通过共混方式将APA添加到邻苯二甲腈树脂(APN10)中，改善了APN10的RTM工艺适应性，树脂改性后的RTM工艺及树脂的耐热性测试分析，发现随APA添加量增加APN10的灌注工艺窗口明显拓宽，APN10/APA共混物的最优灌注温度下降超30℃，且APN10/APA共混物固化后的Tg及分解温度比APN10有明显提高，证明改性剂APA对APN10树脂的耐高温性能改进有相当的贡献。通过分析不同APA添加量的CF/APN10力学性能及耐热性能，探明了复合材料的室温力学性能随APA添加量增加而下降的原因。此外，还发现复合材料高温下增加了结构的致密交联度对复合材料400℃以上产生的裂纹起到一定程度的抑制作用，从而提高了其力学性能。采用Tr-n模型对不同含量APA的CF/APN10弯曲和层间剪切性能进行仿真分析，得出其与温度变化之间关系的拟合曲线，可有效预测室温至550℃之间的相关力学性能。 ③建立了低熔点邻苯二甲腈树脂改性的方法，进而通过不同邻苯二甲腈分子的混合降低邻苯二甲腈树脂熔点，并提高其溶解性，制备出适用于预浸料—热压罐工艺的邻苯二甲腈树脂(HPN)。通过对HPN进行红外光谱及热物理分析，表明该树脂固化过程反应温和、放热缓慢，具有良好的热压罐成型工艺适应性，且固化后Tg仍达390℃、初始分解温度达465℃，具备良好的热稳定性。采用湿法工艺制备碳纤维/邻苯二甲腈(CF/HPN)预浸料，并使用热压罐工艺对其固化成型。通过不同后处理温度对CF/HPN复合材料力学及耐热性进行研究，发现高温后处理虽然可使CF/HPN的Tg和分解温度提高，但会造成其内部出现裂纹和孔隙，影响了其基础力学性能。同时发现在400℃以上环境下由于树脂基体的碳化而使CF/HPN相应力学性能提高，即“翘尾”现象。选用多元表达式模型，并在公式中引入一项碳化层补偿因子，对CF/HPN的力学性能进行仿真分析，得出其与温度变化之间关系的拟合曲线，有效预测了CF/HPN复合材料在室温至450℃范围内的力学性能。
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