原子氧辐照碳/酚醛复合材料的表面形貌及其演变机理研究

2012-03-13詹茂盛郭丹丹

航空材料学报 2012年4期

詹茂盛，郭丹丹，王凯

(北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100191)

碳/酚醛复合材料由于其良好的耐烧蚀性而被用作防热复合材料使用，保护航天器中的金属或非金属结构，然而当航天器在低地球轨道(LEO)中运行时，原子氧以7～8km/s的相对速率撞击飞行器表面，且原子氧本身是一种强氧化剂，这足以使复合材料树脂基体的化学键断裂并发生氧化［1，2］。众多研究表明［3～5］，原子氧会剥蚀树脂基体，破坏树脂与纤维的黏结，造成航天器材料的质量和厚度损失，降低其可靠性和寿命。

航天器常采用碳/酚醛复合材料作为烧蚀型防热材料，其烧蚀机理属于炭化烧蚀型，即以自身质量的消耗吸收热量以此降低材料内部的温度，达到防热的效果。而酚醛树脂之所以能保持高的炭化率是因为其炭化时由—CH2—自由弯曲连接起来的苯环平面之间进一步缩合稠环化时，再形成新的五元环及六元环结构的立体位阻效应小，从而易于生成炭质材料的乱层结构［6～8］，使炭化过程稳定。因此，有必要考察原子氧对碳/酚醛复合材料剥蚀行为和微结构的影响，从而为该类复合材料在LEO环境中的服役寿命评价和耐原子氧能力的提高奠定基础。

本工作拟采用原子氧地面模拟的加速侵蚀实验，从质量损失、表面形貌以及化学结构变化等方面研究碳/酚醛复合材料在原子氧环境中的微结构演变，得出碳/酚醛复合材料与原子氧的作用机理。