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航天器TPS用耐高温烧蚀修复剂研究

作　者: 李阳
导　师: 汪涛
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 材料加工工程
关键词: TPS 修复耐高温环氧树脂呋喃树脂聚碳硅烷
分类号: V445.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

可重复使用天地往返运输技术是航天领域具有前瞻性、战略性的技术,航天器热防护系统（TPS）则是该技术实现的基础。然而来自空间环境中的碎片与微流星体以及其他各种因素都会对热防护系统造成破坏。面对极端恶劣的再入环境,先进的TPS修复技术已成为保障航天器可重复使用及安全再入的迫切需求。本论文是针对航天器TPS破损修复进行的探索研究。提出了采用烧蚀碳化型和高温相变型两种类型TPS用耐高温烧蚀修复剂的研究思路,开展了两种类型的各体系修复剂成分的设计及制备工艺的研究,利用氧—乙炔烧蚀测试来评估修复剂的耐高温烧蚀性能,并对典型修复剂材料的热分解动力学进行了分析。通过对修复剂试样烧蚀前后形貌的观察、热重-差热-质谱分析和相结构分析,评估了各体系修复剂的成型性能与耐高温烧蚀性能,并对其耐高温烧蚀机理进行了探讨。研究结果表明:呋喃树脂体系的烧蚀碳化型修复剂具有良好的成型性能和耐高温烧蚀性能,呋喃树脂与填料碳化硅粉末及晶须具有良好的烧蚀匹配性。烧蚀产生的碳层与SiO₂能附着在表面,起到保护下层基体的效果。在填料碳化硅粉末与晶须的质量比为8/4时,呋喃树脂体系修复剂制备的试样表面质量好、收缩率低、耐高温烧蚀性能好,线烧蚀率与质量烧蚀率分别为0.028 mm/s,0.0662g/s,背温为67℃。聚碳硅烷体系的高温相变型修复剂能在高温下转变生成SiC陶瓷,加入的氧化铝纤维能起到抑制收缩,抗高速气流冲刷的固结效果,ZrO₂则能降低修复剂与石墨块的热膨胀失配,使修复剂在烧蚀过程中能与石墨块结合牢固。聚碳硅烷体系修复剂的耐高温烧蚀性能优于烧蚀碳化型修复剂,质量烧蚀率仅为0.0108g/s,背温为53℃。采用热重法研究了聚碳硅烷体系修复剂热分解动力学,结果表明,聚碳硅烷体系修复剂热分解的表观活化能约为140kJ/mol,热分解过程由随机成核和生长机理（n=1）的表面反应控制,指前因子约为33.47。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
图表清单  9-12
注释表  12-13
第一章绪论  13-29
  1.1 航天器热防护系统（TPS）及其修复技术的研究应用概况  13-22
    1.1.1 航天器热防护系统的研究与应用  13-17
    1.1.2 空间环境对航天器运行影响的研究  17-20
    1.1.3 TPS 修复技术的研究现状  20-22
  1.2 常用耐热抗烧蚀材料的性能、研究与应用  22-27
    1.2.1 环氧树脂  22-24
    1.2.2 呋喃树脂  24-25
    1.2.3 聚碳硅烷  25-27
  1.3 本论文的选题依据及研究内容  27-29
第二章实验原料、设备与研究方案  29-35
  2.1 实验原料  29-30
    2.1.1 基体树脂  29
    2.1.2 填料  29
    2.1.3 固化剂  29
    2.1.4 其他试剂  29-30
    2.1.5 预制缺陷修复模拟试样  30
  2.2 实验仪器与设备  30-32
    2.2.1 氧—乙炔烧蚀实验设备  30-31
    2.2.2 热重—质谱联动分析实验设备  31
    2.2.3 其他设备  31-32
  2.3 研究方案  32-35
    2.3.1 实验方案设计  32-33
    2.3.2 测试与分析  33-35
第三章 TPS 修复剂成分设计与制备工艺研究  35-53
  3.1 烧蚀碳化型修复剂成分设计与制备工艺研究  35-43
    3.1.1 基体树脂及其固化剂的选择  35-36
    3.1.2 填料的选择  36-37
    3.1.3 各组分配比的设计  37
    3.1.4 制备工艺  37-39
    3.1.5 修复剂固化后宏观形貌观察与分析  39-43
  3.2 高温相变型修复剂成分设计与制备工艺研究  43-51
    3.2.1 先驱体的选择  43
    3.2.2 交联溶剂的选择  43-45
    3.2.3 填料的选择  45-46
    3.2.4 各组分配比的设计  46-48
    3.2.5 制备工艺  48-49
    3.2.6 修复剂固化后宏观形貌观察与分析  49-51
  3.3 本章小结  51-53
第四章修复剂高温烧蚀研究  53-72
  4.1 氧—乙炔烧蚀实验  53-55
    4.1.1 烧蚀实验方法  53-54
    4.1.2 烧蚀实验结果及数据处理  54-55
  4.2 修复剂耐高温烧蚀性能及机理分析  55-70
    4.2.1 各体系修复剂烧蚀后宏观形貌观察  55-57
    4.2.2 各体系修复剂烧蚀数据分析  57-58
    4.2.3 各体系修复剂高温结构与组织转变分析  58-64
    4.2.4 各体系修复剂烧蚀机理分析  64-70
  4.3 本章小结  70-72
第五章典型修复剂材料的热分解动力学研究  72-78
  5.1 热重法分析聚碳硅烷体系修复剂的热分解动力学  72-77
  5.2 本章小结  77-78
第六章结论与展望  78-80
  6.1 结论  78-79
  6.2 展望  79-80
参考文献  80-85
致谢  85-86
在学期间的研究成果及发表的学术论文  86

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