樹脂基防隔熱復合材料高溫響應分析方法研究進展

張 軍，李 偉，方國東，梁 軍，孟松鶴

(1. 哈爾濱工業大學特種環境復合材料技術國家級重點實驗室，哈爾濱 150001； 2. 中國空氣動力研究與發展中心超高速研究所，綿陽 621000；3. 北京理工大學先進結構技術研究院，北京 100081)

0 引 言

航天器高速返回地球大氣或者進入其他行星大氣層的過程中，會受到強烈的氣動加熱效應，飛行器表面溫度可達數千攝氏度[1-2]，因此需要采用熱防護系統對飛行器進行保護[3]。樹脂基燒蝕復合材料由于其優異的防隔熱性能，并具有相對較低的密度，被廣泛應用于返回式衛星、彈頭和固體火箭發動機防熱結構中，并且也是新式燒蝕防熱材料發展的重要方向。樹脂基防隔熱復合材料在高溫條件下的響應是熱防護結構設計的重要依據，對燒蝕熱防護系統設計和優化具有重要意義，同時也對改進和開發這類材料具有指導作用。因此，本文針對近些年關于樹脂基防隔熱復合材料高溫響應的相關研究工作，從材料高溫熱物理及力學性能分析方法、熱/力/化學多場耦合分析方法以及材料高溫試驗測試三個方面進行了論述。

1 熱解材料熱物理及力學性能分析方法

隨著溫度升高，樹脂基復合材料中的樹脂基體會發生熱分解反應，生成熱解氣體和新的固體相，并且材料的物理和化學性質發生變化[3-4]。熱解過程對材料結構的溫度和承載能力有重要影響，因此研究高溫條件下樹脂基復合材料的熱解、熱物性和力學性能演化規律是預報材料高溫響應的基礎。

在不同熱解程度下樹脂基復合材料的熱物理性能可利用熱解程度將未熱解和完全熱解材料的性能進行線性插值得到，也可以通過微細觀模型結合組分相的性能來計算材料的等效熱物性。另外，可以通過宏觀實驗確定材料的力學性能隨溫度的變化規律，也可以通過細觀分析模型結合組分材料性能計算等效力學性能。預報材料熱物性和力學性能的關鍵是正確分析材料的熱解過程。熱解動力學是研究材料熱解過程的分析方法，一般先假定材料熱解動力學方程符合特定的數學形式，然后從實驗數據中提取動力學參數。

1.1 材料熱解動力學分析方法

由于樹脂合成和固化的工藝不同，樹脂的分子結構也千差萬別，其熱解機制和熱解產物也不盡相同，如殘炭率和熱解氣體的相對摩爾分數等[5-6]。在高溫無氧條件下，酚醛樹脂的熱解反應速率通常假定符合阿倫尼烏斯方程形式[5, 7]：

(1)

式中：α是熱解程度，A為指前因子，n為反應級數，E為活化能，T為溫度，R為氣體常數，t為時間。

有些學者認為酚醛熱解過程滿足多個阿倫尼烏斯方程的疊加形式。獲得熱解動力學參數最常見的方法是將樹脂在特定升溫速率下從室溫緩慢加熱到高溫，獲得樹脂殘余質量與溫度的關系曲線，然后分析曲線特征，通過Coats-Redfern積分法、Kissinger法、Ozawa法和Crane法等方法獲得所需要的動力學參數。黃娜等[8]采用熱重分析法和熱重質譜聯用技術對氨酚醛樹脂的熱解過程進行分析，利用Coats-Redfern積分法得到了氨酚醛樹脂的熱解動力學參數，發現氨酚醛樹脂的熱解反應分為兩種過程：在600 ℃以下的低溫區，以鏈斷裂反應為主；在600～800 ℃的高溫區，以脫氫反應為主。吳利敏等[9]利用熱失重分析儀對聚醚醚酮改性酚醛樹脂的熱解過程進行分析，將樹脂的熱解過程分為3個階段，根據Kissinger法、Ozawa法和Crane法建立了熱解動力學模型，得出熱解活化能、指前因子和反應級數。劉曉洪[10]用熱重法對鉬酚醛樹脂的熱分解過程進行了分析，研究了鉬酚醛樹脂配方比例對熱失重率、熱分解溫度、反應級數和活化能的影響。許陽陽[5]采用熱失重法對輕質碳/酚醛燒蝕復合材料進行測試，并根據試驗曲線獲得輕質碳/酚醛復合材料熱分解動力學參數。也有學者認為，在實際燒蝕過程中材料升溫速率極高，因此緩慢升溫的方法所確定的動力學參數與實際不符。文獻[11-13]用激波管方法研究了酚醛樹脂在溫度范圍1000～2000 K之間的熱解過程，發現在激波管快速升溫環境下，酚醛樹脂的熱解過程、熱解產物以及熱解動力學過程與緩慢升溫有顯著不同。

綜上所述，描述材料在高溫條件下熱解過程的熱解動力學分析方法，依賴于不同升溫速率的實驗測試數據，往往存在很大的離散性，因此需要開展大量實驗確定材料的熱解動力學參數，并且需要慎重確定模型參數及明確模型的適用條件。另一方面，熱解動力學方法很少考慮有氧氣體氛圍下樹脂基復合材料熱解過程，而在實際的應用環境中樹脂基復合材料在高溫條件下總能受到有氧環境的影響，因此未來應針對有氧氛圍的熱解動力學進行研究。

1.2 不同熱解程度下材料熱物理性能預報方法

伴隨著樹脂基體熱解產生氣體，并生成具有大量孔隙的固體炭化物，基體中樹脂相、焦炭相和孔隙的含量不斷發生變化，直到樹脂完全熱解[4,14-15]。因此，需要建立材料熱解相變模型來預測材料熱物理性能的演化過程。目前主要通過樹脂熱解程度對熱解前后熱物理性能進行線性插值得到一定熱解程度下材料的熱物理性能，或者利用簡化的幾何模型得到材料熱物理性能與熱解程度的關系。

熱解程度的線性插值模型需要通過實驗測試分別獲得原始樹脂、完全炭化樹脂的熱物理性能。則熱物理性能λ可以表示為

λ=λv(1-α)+λcα

(2)

式中：α為材料的熱解程度，下標v和c分別表示原始材料和完全炭化材料的性能。該線性插值方式形式簡潔，被廣泛應用于求解材料燒蝕過程中的熱物理性能，但是其正確性和適應性尚未經過檢驗。

利用簡化幾何模型求解不同熱解程度下材料熱物理性能的方法，是通過假設樹脂基體相變滿足一定的幾何關系，將材料的熱物性與材料熱解過程中產生的不同相含量聯系起來。Dimitrienko[16]假定相含量分布符合簡化的立方體模型，推導出了孔隙相、樹脂相和焦炭相的體積分數變化規律，然后基于漸進展開均勻化方法求解了樹脂熱物理性能的變化規律。相比于簡單線性插值方法，簡化模型的方法考慮了熱解過程中樹脂內存在的不同相，體現了相分布和界面對等效熱物性的影響，但其有效性和適應性也未經過驗證。類似地，也有一些學者通過代表性體積元通過數值模擬或者等效熱阻理論計算材料的熱物理性能[17-18]。Zhou等[19]提出了一種計算變結構參數有效導熱系數的通用方法，考慮酚醛樹脂基體中孔隙的影響，建立了多孔模型計算得到了不同孔隙率和孔型的基體的有效導熱系數。

1.3 熱解材料在高溫條件下力學性能分析方法

燒蝕型樹脂基復合材料在高溫條件下，隨著樹脂基體的分解其力學性能不斷發生變化。Gibson等[20]對單側熱流作用下的復合材料層合板進行了熱力分析，預測了溫度沿厚度的分布和殘余樹脂含量的分布，并把溫度分布和樹脂殘余量作為已知條件，建立了彈性常數與溫度和樹脂含量的函數，其材料性能的變化規律由改進的Mahieux-Reifsnider模型[21]表示：

(3)

式中：P(T)對應材料性能，PU和PR為未松弛(低溫)和松弛(高溫)的材料性能，η為分布寬度常數，T′是玻璃化溫度，Wn是樹脂殘余量，T為當前溫度。

Bai等[22]認為樹脂基復合材料是處于玻璃狀、皮革狀、橡膠狀或分解狀態的材料混合物，基于阿倫尼烏斯方程建立了纖維增強復合材料在不同溫度范圍內(包括玻璃化轉變和樹脂分解)的拉伸模量、剪切模量、黏度和有效熱膨脹系數隨溫度變化的預測模型，預測結果與實驗結果吻合較好。但是這種按照材料四種狀態進行分析的方法基本都是在較低溫度(小于300 ℃)下進行分析和驗證，是否適應更高溫度和快速升溫條件下的材料力學性能預報還需要進一步驗證。Florio等[23]計算發現酚醛基復合材料基體分解的內部氣壓可達外部氣壓的15倍，指出這種壓力足夠導致基體開裂、分層和纖維基體脫黏損傷等。文獻[24-25]把熱力響應模型整合到商用軟件ABAQUS中分析復合材料在高溫下的力學響應，在不同組分之間使用內聚力模型(內聚強度與溫度相關)，考慮材料熱分解、氣體壓力和力學響應，最后的強度直接與施加的溫度分布歷史有關，其中應力平衡方程和應力應變關系都是由不同相平均得到。這類相平均的方法雖然考慮了各種相含量動態變化過程對力學性能的影響，但是也會造成內部應力和應變被平均，使強度預報出現顯著偏差。另外，Feih等[26]利用式(3)的半經驗熱力模型預測了樹脂基復合材料在一側受輻射熱聯合拉伸或壓縮載荷作用下的響應，利用材料的剩余強度來獲得材料的破壞時間。Anjang等[27]提出了一個類似的熱力學模型，研究了纖維取向對夾層復合材料高溫拉伸承載性能、失效時間和失效機理的影響。文獻[28-29]分析了玻璃纖維/乙烯酯復合材料在壓縮和單側加熱條件下的蠕變破壞過程，在玻璃化溫度附近可恢復的粘彈性響應能夠延遲破壞，材料壓縮破壞的應力采用改進的Budiansky-Fleck模型：

(4)

Gu和Asaroa[30]分析了纖維增強樹脂基復合材料板在橫向熱載下的扭曲變形現象，由功能梯度材料的彎曲理論確定了熱變形表達式，發現熱變形與材料的變化和溫度分布直接相關，材料的變形中心軸不再是幾何對稱軸，材料性能衰減采用與溫度相關的唯象模型來描述：

(5)

式中：E0是初始時常溫狀態下的彈性模量，Tref為材料失效溫度，m為0到1變化的指數因子，T為當前溫度。Papanicolaou等[31]研究了樹脂基復合材料受低溫熱載荷疲勞條件下的蠕變問題，發現蠕變柔度與循環加熱的次數之間成指數遞減，與加載的時間無關：

(6)

式中：C為循環加載后的蠕變柔度，C0為未循環加載的蠕變柔度，C∞為在循環加載中最小的蠕變柔度，ΔT為溫度變化范圍，Tg為玻璃化溫度，T0為室溫。

上述這些材料高溫力學性能預報模型主要建立與樹脂殘留率的關系，并且通過實驗來確定模型中的待定參數，但未研究材料高溫力學性能變化的主要機制，而是基于現象的宏觀擬合，這些方法概念簡潔明了，在樹脂基復合材料高溫力學性能預報中依然被廣泛使用。

還有一些學者根據材料熱解過程中各種相含量的變化，采用微細觀力學方法獲得材料在高溫下的力學性能，避免了引入經驗系數。Dimitrienko[32]對防熱復合材料高溫性能進行了大量研究，通過典型周期性單胞計算了基體材料的等效特征，建立了基體燒蝕過程中的失效模型，并通過實驗驗證了模型的有效性。Dimitrienko[32]的分析方法可以對樹脂基復合材料從室溫到高溫的力學性能進行分析，所預報的性能變化趨勢接近實驗結果，但是其研究過程對模型的過度簡化(例如1級熱解反應假設和氣密性假設)使得預報的力學性能和實驗結果差異較大。文獻[15, 33]采用細觀力學等效夾雜理論，考慮樹脂基體相變過程中樹脂相、焦炭相和氣孔的體積分數變化，計算樹脂基體在線性升溫條件下的彈性性能變化規律，給樹脂基復合材料高溫力學分析方法提供了新思路。時圣波[34]考慮升溫過程引起的相變，預測了高硅氧/酚醛復合材料的彈性性能和強度隨溫度的變化規律。Li等[35]基于細觀力學等效夾雜理論，考慮了纖維含量的影響，計算了樹脂基復合材料在燒蝕條件下的力學性能變化，這種方法雖然考慮了細觀因素(纖維含量和孔隙)對材料高溫力學性能的影響，但是依然使用了橫觀各向同性假定和細觀等效方法，忽略了材料真實細觀結構對高溫力學性能的影響。Wang等[36]提出了一種不需要經驗參數的計算方法，確定多相復合材料的彈性特性，采用格子玻爾茲曼法求解多相微結構的控制方程，預測了多相復合材料真實結構的有效彈性性能。但是這種從微細觀尺度進行數值模擬計算力學性能的方法計算量大，難以適用于樹脂基復合材料在高溫條件下力學性能分析。總之，這類方法減少了模型中的經驗參數，只需要少量的基本材料參數即可預報材料力學性能，但是這些方法目前只能對在惰性氣體或真空環境下材料相變組分較簡單的材料性能進行預報，并且這些方法的有效性和適用性也需要進一步驗證。另外，目前主要分析樹脂基復合材料在高溫拉伸和壓縮響應，并沒有進行復雜載荷條件下的破壞分析。因此，需要進一步分析樹脂基防隔熱復合材料在高溫復雜載荷條件下的力學響應，建立精確的熱力學模型而減少對經驗數據的依賴。

2 樹脂基復合材料熱/力/化學多場耦合分析方法

在燒蝕過程中，材料內部發生多種熱傳遞現象，如樹脂熱解吸熱、熱解氣體對流換熱和固體熱傳導等[37]，因此樹脂基復合材料高溫熱響應表現為復雜的多物理場耦合問題。

目前國內外學者針對樹脂基復合材料提出了多種高溫響應分析模型及方法，可以將這些模型分為簡化模型和多物理場耦合模型。簡化模型只對材料的防熱能力進行大致預估，可以給出材料溫度分布的大致規律和量級，計算簡單但精度較低。多物理場耦合模型，充分考慮了樹脂基復合材料內部發生的復雜熱/力/化學耦合因素，可以更加精確地預報材料響應，但是計算量大且較復雜。

2.1 簡化的高溫響應分析模型

按材料內部熱傳差異劃分不同區域，在每個區域中求解單獨的能量方程，從而獲得材料內部的溫度響應。通常該方法忽略熱解現象，在內部熱響應過程中不考慮由材料熱解引起的相變吸熱、熱解氣體輸運等，認為材料的熱物理性能只與溫度有關，不同溫度下材料的熱物理性能由實驗獲得，或者直接假定溫度分布滿足某種特定形式[2]。這是早期出現的一類模型，可以估算出材料大致的溫度量級，簡潔方便但精度很低，只對特定條件下材料的溫度響應有比較好的預報效果。由于樹脂熱解對于材料的燒蝕熱響應影響較大，要精細預報溫度響應就需考慮熱解現象。熱解面模型假定材料的熱解只在特定的無厚度薄層發生，將材料分為碳化層和原始材料層。在熱解面模型中，將熱解面處理為有溫度突變的邊界條件，熱解面的上表面溫度為樹脂完全熱解的溫度，熱解面的下表面溫度為樹脂開始熱解的溫度，通過熱解溫度來確定熱解面位置[3]。熱解層模型是在熱解面模型基礎上將熱解區域劃分為單獨的一層，并根據熱解的起始溫度和碳化層、原始材料層進行匹配[3, 38]。熱解層模型可以更加精確地預報材料的熱解區域和溫度，但是增加了移動界面數量，使求解程序更加復雜，并且加大了計算量。

上述幾個模型主要是在燒蝕型復合材料研究早期發展起來的，限于當時計算條件的限制，這些方法主要采用有限差分方法求解，并只求解材料的一維燒蝕響應。這些方法簡潔且計算相對容易，在早期的燒蝕型熱防護系統設計中發揮了巨大作用，但是其精度和分析能力較低。

2.2 多物理場耦合分析模型

隨著有限體積法和有限元法的發展，逐漸出現了求解材料燒蝕的多物理場耦合分析模型[39]。多物理場耦合分析模型對材料熱傳遞過程涉及的多個物理場控制方程進行耦合求解[40]。材料燒蝕過程中的能量方程為

(7)

式中：ρs為固體相密度，cs為固體相比熱，φg為氣體相體積分數，ρg為氣體相密度，hg氣體相焓值，k為材料熱導率，vg為氣體質量流率，ΔHp為固體相熱解焓變，μ為氣體黏性系數，K為材料的滲透率，T為當前溫度，t為時間。

在式(7)中，左側第一項代表材料升溫吸熱，右側第一項代表熱傳導引入的熱量，第二項代表熱解氣體流動帶入固體內部的熱量，第三項代表熱解過程的吸熱量，第四項代表熱解氣體流動耗散的能量。該方程引入了熱解氣體運動、熱解吸熱等關系，全面地考慮了材料內部涉及的多種熱能傳遞和轉化關系，需要補充如下方程：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：P為氣體的壓強，1+β/P為Klinkenberg修正系數考慮當Knudsen數不是很小時氣孔內氣體的滑移效應，1+F0為Forchheimer修正系數考慮氣孔內的高速氣體效應，ρc為炭化材料密度，ρv為原有固體密度，A,E和n是熱解動力學參數，V為熱解氣體產生率，R為氣體常數，Mg為熱解氣體的分子量，T為當前溫度，t為時間。

這種方法涉及偏微分方程、常微分方程的耦合關系，使得求解比較復雜并且計算量較大。為求解類似的方程組，近年來開發了很多的熱化學燒蝕響應程序。Chen等[40]提出了一個隱式燒蝕和熱響應程序FIAT，用于模擬各向同性燒蝕材料和結構中的一維瞬態熱能傳輸，可以求解材料的燒蝕量和熱解深度。隨后對FIAT進行升級[41]，可以計算含多種熱解氣體組分影響條件下的表面熱化學燒蝕速率。Chen等[42]在FIAT的基礎上，開發了用于預測炭化材料燒蝕和熱防護材料形狀變化的TITAN程序，控制方程包括能量守恒方程和三組分分解模型，采用動網格求解表面能量平衡條件，以計算表面燒蝕后退而引起的形狀變化，控制方程通過有限體積法求解并采用貼體坐標進行離散。通過隱式時間推進技術和交替掃描的高斯-賽德爾線松弛技術對耦合方程進行求解，該求解器可以與高精度的氣動力、熱計算代碼直接集成。Lachaud等[39]基于開源的OPENFOAM平臺開發了多孔材料燒蝕和熱響應計算程序PATO，可以求解內部熱解氣體組分的分布和演化。Dec等[43]開發了用于三維瞬態熱結構分析的有限元燒蝕和熱響應程序，開發了用于熱防護系統的概率設計方法。上述幾種求解方法和工具可以應用于工程實際需求，并且可以和其他模塊(如氣動熱計算)結合，模擬材料在復雜高溫環境的響應。此外，也有學者采用商業軟件開發了多物理場求解器。Wang等[44]通過二次開發，將燒蝕相變模塊用子程序引入ABAQUS模擬，實現了一維燒蝕熱響應的計算。Li等[37]基于商業軟件COMSOL開發了燒蝕和熱響應工具，求解了多物理場控制方程組，并和表面燒蝕熱化學燒蝕邊界條件耦合，通過移動網格邊界模擬由材料燒蝕引起的表面后退。但由于商業軟件二次開發的功能限制，其可實現的燒蝕響應模擬功能十分有限。

近年來，也有學者研究了樹脂基復合材料高溫條件下的熱力耦合響應。McManus和Chamis[45]采用順序耦合方法計算了樹脂基復合材料的平均壓縮應力和縱向應變。Sullivan等[46]針對碳/酚醛復合材料建立了溫度/擴散/變形耦合問題的控制微分方程，利用有限元方法進行求解，得到了材料的熱應變和熱應力隨加載時間的變化曲線。時圣波[34]基于自編有限元程序，求解了單側熱流加熱條件下的高硅氧/酚醛復合材料熱/力/燒蝕響應，計算得到的材料位移場和實驗結果較吻合。Luo等[24]把熱力學結構響應模型生成工具包整合到商用軟件ABAQUS的子程序中，分析復合材料在高溫的力學響應。Wang等[47]建立了一個描述雷擊與樹脂基復合結構熱相互作用的物理模型，該模型考慮了層狀各向異性復合材料的非線性瞬態傳熱、溫度相關的材料特性、閃電通道的移動邊界和升華引起的相變移動邊界，基于ABAQUS對風力機葉片頂端玻璃纖維復合材料板在雷擊下的熱損傷進行了評估。上述高溫力學響應模擬大多只考慮材料的變形和應力等響應，未來應當針對樹脂基復合材料在復雜高溫條件下的破壞過程進行重點研究。目前還缺少研究具有復雜幾何外形的樹脂基復合材料的響應以及復雜載荷環境下的耦合分析能力。

3 樹脂基復合材料高溫試驗測試表征方法

試驗測試是認識極端熱環境下燒蝕材料的高溫響應的最基本方法，常見的高溫響應試驗測試方法有風洞燒蝕、氧乙炔燒蝕、石英燈加熱試驗及其他試驗測試方法。

風洞燒蝕實驗是利用風洞裝置產生的高速氣流作用于試樣，使試樣表面產生高溫和氣動力作用的環境，用于在實驗室中模擬真實的燒蝕環境。風洞不僅可以模擬材料表面的熱環境，而且可以模擬氣流對實驗件的氣動力作用，比較好地復現了燒蝕材料的極端熱環境。Helber等[48]利用電弧風洞研究了空氣和氮氣等離子體中碳/酚醛復合材料的燒蝕和瞬態熱解氣體，研究了材料在高熱流條件下的抗燒蝕性能，并描述了氣體表面相互作用現象。Turchi等[49]重現了電弧風洞的燒蝕試驗數據，利用不確定性量化分析方法，探討了等離子風洞測試條件的不確定估計對燒蝕模型結果的影響。Owiti等[50]在1 MW的電弧風洞中將多孔碳低密度燒蝕材料在氮氣氛圍下加熱，并分別通過實驗和數值分析了它們各自的熱響應，對測試材料中的輻射熱傳遞進行建模，并評估材料的消光系數。Kubota等[51]利用電弧加熱等離子體風洞對燒蝕材料和碳纖維增強樹脂基復合材料夾芯板的組合熱防護系統進行了測試，以評估其熱防護性能和熱響應。Paglia等[52]制備了一種密度為0.5 g/cm3的輕質碳酚醛燒蝕體，在等離子體風洞上測試了這種材料的燒蝕性能，對試樣的表面溫度進行監測、測量了燒蝕量和熱解深度，并且對試樣的微觀結構進行了觀測，研究了高熱流燒蝕環境對這種材料的影響。Zhu等[53]利用電感耦合等離子體風洞裝置對蜂窩增強輕質燒蝕材料進行試驗并監測了不同深度位置處的溫度響應。馮志海等[54]對2.5D高硅/酚醛、短纖維模壓高硅氧/酚醛、高硅氧/酚醛、三向碳/碳等四種燒蝕材料在燃氣流中進行駐點燒蝕試驗，發現粒子含量、速度和粒子種類對材料駐點燒蝕侵蝕有較大影響。通常風洞燒蝕法能更真實地模擬材料在使用時的熱力環境，但是價格昂貴。

石英燈加熱采用石英燈管產生的高溫熱輻射加熱試樣表面。吳大方等[55]自行研制的石英燈紅外輻射式氣動熱環境試驗模擬系統，可實現高升溫速率、高熱流密度和高達1500 ℃超高溫氧化熱環境，并基于該裝置發展了超高溫熱環境力學測試技術，實現高溫熱振聯合試驗和結構隔熱性試驗。華小玲等[56]采用石英燈測試了酚醛樹脂基復合材料的靜態隔熱性能。王曉潔等[57]采用石英燈靜態加熱實驗對復合材料發動機殼體的背壁溫度及燒蝕狀態進行試驗，考核了復合材料結構在高溫下的完整性和隔熱性能。石英燈加熱價格便宜，可以對較大試驗件進行加熱，但是石英燈裝置內部氣體流動會影響樹脂基復合材料表面的氣體氛圍，使材料表面過早進入缺氧狀態而低估材料的燒蝕量。因此，未來可以在現有石英燈加熱方案的基礎上，加入可以控制氣體環境的裝置，實現對熱環境更精確的模擬。

氧乙炔燒蝕實驗是利用氧氣-乙炔氣體混合燃燒產生的高溫來加熱試樣，通常用于考核材料的抗燒蝕性能和隔熱性能。易法軍等[58]利用氧-乙炔實驗臺對布帶纏繞型炭/酚醛復合材料進行了模擬燒蝕實驗，測試了燒蝕過程中材料表面和厚度方向溫度響應歷程和質量燒蝕率，對材料表面和內部燒蝕特征進行了圖像觀察，并分析了材料燒蝕過程中裂紋形成的原因。李林杰等[59]通過氧乙炔燒蝕裝置結合非接觸式高溫變形測量系統，對高硅氧/酚醛防隔熱復合材料的溫度和變形進行測量，并對試樣體積燒蝕后的表面微觀形貌進行了分析。許陽陽[5]采用氧乙炔焰加熱陶瓷塊產生輻射熱流，對低密度碳/酚醛復合材料進行加熱，考核了材料的隔熱性能，測試了材料不同位置處的溫度時間歷程。氧乙炔實驗裝置價格便宜易得，可通過普通氧乙炔焊槍直接對材料進行加熱，也可以和高溫計、DIC散斑等測試裝置聯用。但是氧乙炔裝置的火焰同樣影響試件附近的氣體組分狀態，進而低估材料的燒蝕量。

另外，哈爾濱工業大學復合材料與結構研究所研發了一套匯聚太陽能的燒蝕實驗裝置，該裝置可以跟蹤太陽位置移動，形成比較穩定且強大的聚焦光源，對試件進行較長時間加熱。文獻[34, 60]采用此裝置以外界自然光為光源測量了單側熱流載荷下高硅氧/酚醛的體積燒蝕行為。Cai等[61]用黑體爐和樣品加熱器在200～500 ℃的溫度下，用傅里葉變換紅外光譜法測定了炭化樣品在2.5～25 μm波長范圍內的光譜發射率，發現炭化燒蝕材料的光譜發射率與炭化燒蝕材料的光譜發射率接近碳化酚醛樹脂。樹脂基復合材料在高溫下的熱/力/化學行為復雜，很難用某一種實驗方法把所有的現象都復現，只能針對所研究的具體問題，有針對性的選用和設計實驗裝置得到特定高溫環境來探究材料在特定環境的響應機制。

4 結論及展望

本文從材料性能預報模型、熱/力/化學耦合分析方法和試驗方法三個方面對樹脂基防隔熱復合材料在高溫下的響應分析方法進行論述，得到主要結論及研究展望如下：

1) 現有的熱解動力學模型主要通過惰性(或真空)氛圍條件下的緩慢升溫過程確定其熱解動力學參數，未來需要進一步研究復雜氣氛和快速升溫過程的熱解動力學模型；現有的熱物性演化模型主要是采用線性插值或者簡化模型方法預報熱物性，未來需要進一步從材料微結構演化方面出發利用理論或數值分析方法確定不同熱解狀態下材料的熱物理性能；現有的力學模型是研究材料的高溫剛度性能，還需要進一步發展材料高溫強度預報模型。

2) 現有的熱/力/化學耦合分析模型主要是對樹脂分解、熱傳導以及變形耦合求解，一般不直接耦合外界氣體邊界，并且主要針對簡單的幾何模型進行研究。為適應未來工程需求，應進一步發展對復雜幾何模型的分析方法，并且對復雜的外界氣體環境進行耦合分析。

3) 目前主要采用風洞、石英燈和氧乙炔等對樹脂基復合材料的高溫響應進行實驗研究，但還需要更精準地控制實驗的熱環境，另外也需要結合理論及數值算法分析地面試驗環境，重現材料地面試驗的高溫響應。