热防护系统(Thermal Protection System, TPS)是保护航天器顺利返回地球的关键结构,其中烧蚀防热是最可靠防热方案。炭化型烧蚀材料适用于高焓值、高热流密度的服役环境,是目前广泛应用的烧蚀防热材料,其典型代表为碳/酚醛(C-Ph)复合材料。传统C-Ph树脂基复合材料密度较大且导热系数较高,很难满足高性能航空航天领域,因而轻质C-Ph复合材料是近几年研究热点。C-Ph复合材料引入ZrO2可明显提高隔热性能,同时引入低熔点B203填补了酚醛树脂裂解产生缝隙,减少了氧扩散进入材料内部的通道。ZrB2氧化生成Zr02与B203,将ZrB2引入C-Ph复合材料,可兼具Zr02与B203两者改性优点。因此,本文采用浸渗法将ZrB2引入到多孔低密度C-Ph复合材料,主要研究ZrB2对低密度C-Ph复合材料烧蚀、隔热、烧蚀机理、烧蚀行为、机械性能的影响。红外光谱分析结果表明ZrB2不参与酚醛树脂固化反应,但ZrB2与酚醛树脂裂解气体产物CO、CO2发生化学反应,生成ZrO2、B2O3与无定型玻璃炭,提高了酚醛树脂残炭率。在氧气、乙炔比例为1.25氧化性烧蚀环境中,C-Ph复合材料线烧蚀率、质量烧蚀率随ZrB2含量增加而降低,对线烧蚀率影响最为明显,ZrB2添加量为9%时材料显示最优抗烧蚀、隔热性能。氧乙炔火焰烧蚀过程C-Ph复合材料烧蚀表面只有碳纤维存在,并没有酚醛树脂基体裂解玻璃炭存在,基体的烧蚀速度大于纤维的烧蚀速度。C-Ph复合材料剥蚀现象存在于一定厚度区域,而不仅仅在表面,氧化和高速气流冲刷是烧蚀表面后退的主要因素。引入1%、3%、5%ZrB2的C-Ph复合材料,基体烧蚀速度虽减缓,但仍大于纤维的烧蚀速度,氧化和高速气流冲刷依然是烧蚀表面后退主要原因,其烧蚀行为和机理与C-Ph相似。ZrB2含量为7%、9%、11%时,表面形成连续Zr02“网络”层,基体的烧蚀速度接近纤维烧蚀速度,部分纤维侧壁完全被烧蚀,纤维沿径向烧蚀明显,不存在基体被完全剥离区域。连续ZrO2层形成“网络”可以阻止基体被剥离,被剥离的基体碎片要穿过“网眼”才能逃逸表面,那些尺寸大于网眼的较大碎片被固定在原位,经受了更长时间的烧蚀,为底部基体提供了良好的隔热层,同时有效减少了直接进入材料内部的氧数量。Zr02层越厚基体碎片需要穿过的距离越大,其逃逸越困难,ZrO2“网络”层阻止基体被剥离的作用越强。Zr02“网络”障碍层阻碍了基体碎片的逃逸,极大减弱了高速气流的机械剥离作用,烧蚀主要因素为氧化,机械剥离退为次要原因。研究了烧蚀时间对9%ZrB2-C-Ph复合材料质量烧蚀率、表面Zr02层的影响。烧蚀时间为40秒时质量烧蚀率最大,随着烧蚀时间的延长质量烧蚀率下降,当烧蚀时间超过160秒时,树脂裂解引起的质量损失已经变为次要因素,当烧蚀时间超过200秒树脂裂解引起的质量损失已经微乎其微,出现近似“稳态烧蚀”。表面ZrO2层厚度并不是随烧蚀一直增加,而是增加到一定厚度局部产生裂纹,部分区域被剥离,被剥离的区域又重新生成,Zr02层形成-剥离过程在整个烧蚀过程不断重复。不同氧气、乙炔比例烧蚀条件结果表明,ZrB2对C-Ph材料烧蚀性能提高只有在氧化性环境才有效,在非氧化环境中ZrB2作用并不明显。单独引入9%Zr02或9%B203虽然减缓C-Ph复合材料基体机械剥离,但均不如引入9%ZrB2对复合材料烧蚀、隔热性能影响明显。压缩实验表明引入9%ZrB2对于提高C-Ph复合材料压缩强度有利,主要原因是酚醛树脂固化、高温裂解时均发生收缩。酚醛树脂固化、裂解收缩会对ZrB2颗粒产生压应力,而膨胀的ZrB2颗粒会对基体产生方向相反的压应力,因而提高了碳纤维与基体间的界面强度及基体自身强度。但9%ZrB2的引入对于C-Ph复合材料拉伸强度影响并不明显,低于1000℃时9%ZrB2-C-Ph拉伸强度大于C-Ph自身,但两者拉伸强度间的差距随着温度的升高而减小,1000℃时两者的拉伸强度非常接近约为55MPa。