碳/酚醛是优良的隔热、烧蚀防热材料，主要用于弹箭武器的喷管、发动机绝热衬里、燃气舵片等燃气烧蚀冲刷部件和前锥体、风帽等气动热防护部件，工作在高温、高压燃气/粒子流的复杂环境中，承受热/力偶合载荷作用。尤其是碳/酚醛复合材料，由于碳纤维在高温下不熔化、强度高、有效烧蚀焓大，具有石墨或碳/碳材料的某些烧蚀特性，可用于飞行器头部作再入防热材料，可使弹头在再入过程中保持较完整的气动外形，可兼具防热和结构的双重作用，较好地解决了高焓高热流环境下的热防护问题。与石墨或碳/碳复合材料相比，具有工艺流程简单、生产周期短、设备成本低、质量稳定、加工性能好等优点，具有着相当大的应用价值和研究意义，在发展国家航空航天事业中具有显著的作用。

碳/酚醛复合材料具有良好的隔热和防热性能,可用于飞行器头部或固体火箭发动机喷管等防热构件,对其热力学行为的研究是防热结构安全的保证。目前，国外碳(石墨)/酚醛复合材料主要应用情况：轨道助推器、北极星 A3 及潘兴第一级的收敛段和扩散段；凤凰导弹的扩张段前部；海神 C3 第一级扩散段、近喉入口段与喉衬；260SL - 3 喷管收敛段、扩张段前部与中部、潜入段前部及喉衬；航天飞机固体助推器的喷管扩张段；哥伦比亚号、大力神-4 、阿里安-3、-4 、-5 运载火箭固体助推器喷管；日本的 M-3G2火箭；M-V 火箭各级发动机的喷管；H-2 火箭固体助推器喷管等。国内的应用情况为：碳布/酚醛：密度 1.4-1.6g/cm3，质量烧蚀率0.247g/s，用于火箭发动机燃烧室绝热套、再入飞行器防热套，还可用于高达3000℃环境的短时防热；碳布/酚醛-高硅氧布/酚醛复合缠绕： 固体火箭发动机喷管扩散段等。

国内外对碳/酚醛复合材料的研究内容主要包括：制备工艺、酚醛树脂改

性、碳/酚醛复合材料的烧蚀机理以及烧蚀实验分析等几个方面，美国和俄罗

斯处于领先地位。碳/酚醛复合材料的成型工艺包括酚醛缠绕、模压、手糊、喷射、拉挤等。本次课题采用预浸工艺制备，传统的酚醛树脂制品约在 200℃以下能够长期稳定地使用。若超过 200℃，便明显地发生氧化，从 340～360℃起进入热分解阶段，到 600～900℃时就释放出 CO、CO2、H2O、苯酚等物质，并残留下碳化物。由于碳化物残留量较高，酚醛树脂具有较好的高温强度，故而酚醛树脂较多地应用改性的方法来增强其高温力学性能与机械加工性能。

课题研究的意义在于通过对碳/酚醛复合材料烧蚀性能的实验模拟与数值分析从而对材料热解性能进行分析，经由模拟和实验比较得出材料的相关烧蚀性能，以此研究方法来开发、测试新的不同改性的酚醛树脂等合成的复合材料，得到耐高温性能卓越而又环保经济的材料，用于航天航空等应用领域，作为性能更优、环境友好、健康安全的新材料，代替传统材料，改善航空材料领域条件，也是近年来科学家们研究的重点。

本课题采用碳/酚醛复合材料为主体，制备烧蚀样品进行研究，利用氧乙炔烧蚀机对其进行烧蚀实验，利用SEM观察其烧蚀形貌，并利用ANSYS等分析及模拟工具，以验证碳/酚醛复合材料制品的优良烧蚀性能，确定其质量损失与温度的定性关系，并根据实验模拟数值计算恒定热流边界条件下材料的瞬态温度场和热应力场，对比烧蚀实验与模拟结果。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：以酚醛树脂为基体，制备酚醛基复合材料烧蚀样品，通过预浸工艺进行制备；

材料表征：对酚醛基复合材料烧蚀样品，利用氧乙炔烧蚀机，SEM，ANSYS等测试及模拟工具对其进行烧蚀实验。测量烧蚀表面和内部温度，通过光学显微镜及扫描电镜分析碳/酚醛复合材料的烧蚀形貌，并在测量结果、实验观察及显微分析的基础上，明确碳/酚醛材料的烧蚀性能，通过热分析技术进一步揭示了碳/酚醛复合材料的热解机理，确定了质量损失与温度的定性关系，讨论了不同升温速率对材料性能的影响。利用有限元软件 ANSYS 模拟碳/酚醛复合材料的烧蚀过程，建立了热解过程的物理-数学模型，计算材料表面及内部的温度场和热应力场。