基于高溫萬能試驗機的酚醛基復合材料熱-力性能表征與方法解析

在航天飛行器穿越大氣層的嚴酷過程中，熱防護系統是其安全與否的生命線。石英纖維增強酚醛復合材料（SiO2f/Phenolic）作為一種優異的炭化型燒蝕防熱材料，憑借其低成本、低熱導率、高成炭率等優勢，在其中扮演著不可或替代的角色

為此，本文旨在深入探究2.5D編織石英/酚醛復合材料在高溫下的拉伸性能。科準測控團隊將利用高低溫萬能試驗機，系統測試材料從室溫至800℃在空氣及真空環境下的經、緯向拉伸強度與模量，并結合斷口形貌分析，揭示溫度與環境對其性能的影響規律與損傷機制。本研究期望為該材料在下一代航天熱防護結構中的精準設計與安全應用提供關鍵的數據支撐和理論依據。

一、 測試原理

本研究的核心原理在于模擬材料在真實熱防護工況下的力學行為，并通過力學性能測試與微觀形貌分析相關聯，揭示其宏觀性能衰退的微觀機理。

二、 測試標準

GB/T 1447-2005 《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》

GB/T 9973-2006 《纖維增強塑料高溫拉伸性能試驗方法》

依據標準規定，加工并測量符合尺寸要求的啞鈴型或矩形條狀試樣。

三、 測試儀器與設備

1、萬能材料試驗機

作為測試主體，負責提供精確且穩定的拉伸載荷和控制橫梁位移速率。

2、高溫爐系統

這是高溫測試的核心附件，其性能直接決定溫度控制的精確度。

A、加熱方式：采用上、中、下三區獨立控制的電阻絲同步加熱，確保了爐膛內形成均勻、穩定的高溫環境，符合標準對試樣標距內溫度偏差的嚴格要求。

B、結構設計：采用可開合式結構，便于夾持安裝試樣；部分設計還具備旋轉開啟功能，使得試驗機在不做高溫測試時能快速恢復為室溫試驗平臺。

C、溫度測量：爐體本身配備三組熱電偶用于監測并控制三個區域的溫度。最關鍵的是，為了直接并精確測量試樣表面的真實溫度，需使用1至3組熱電偶通過點焊或捆綁的方式直接附著在試樣標距段表面。

3、液壓或氣動夾緊系統： 用于牢固夾持試樣，并通常配備循環水冷卻系統，以防止高溫傳遞至試驗機傳感器和作動器，保護設備并保證夾緊力穩定。

4、專用夾具： 通常采用帶冷卻通道的轉接夾具。夾具與試樣接觸面常設計有氧化鋁陶瓷隔熱片，進一步阻隔熱傳導，確保試樣標距段位于均勻高溫區，而夾持端保持低溫。

5、視頻引伸計

高溫環境下精確測量試樣的真實變形量，用于計算彈性模量。

四、 測試流程

1、試樣制備：根據測試標準，從2.5D編織石英/酚醛復合材料板上沿經向和緯向切割加工標準拉伸試樣。對試樣進行編號、尺寸精確測量并記錄。

2、設備調試：開啟萬能試驗機、高溫爐及數據采集系統，進行設備預熱和校準。檢查高溫爐的密封性，若進行真空測試，則啟動真空泵組將爐內抽至目標真空度。

3、裝夾與安裝：將試樣小心地裝夾在高溫爐內的專用夾具上。安裝高溫引伸計于試樣標距段，確保接觸良好。將聲發射傳感器耦合在試樣或夾具的適當位置。

4、環境營造：關閉高溫爐，根據測試方案（如：空氣環境 25℃, 400℃, 600℃, 800℃；真空環境 600℃, 800℃）啟動加熱程序，以設定的升溫速率（如10℃/min）加熱至目標溫度。

5、溫度均衡：到達目標溫度后，保溫一段時間（如15-30分鐘），以確保試樣整體溫度均勻穩定。

6、加載測試：啟動萬能試驗機，以恒定的加載速率（如1 mm/min或根據標準設定）對試樣進行拉伸。同時，數據采集系統同步記錄載荷、位移、引伸計應變和聲發射信號，直至試樣完全斷裂。

7、數據采集與保存：測試結束后，保存所有力學性能數據和聲發射數據。關閉加載系統，停止加熱。

8、試樣收集與冷卻：待高溫爐冷卻至安全溫度后，打開爐門，小心取出斷裂的試樣，特別注意保護斷口形貌不受損壞。

9、斷口分析：截取典型斷口，進行噴金處理后，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其微觀形貌。

10、數據處理與分析：根據采集的載荷-位移/應變數據，計算各工況下的拉伸強度、彈性模量及斷裂伸長率。結合聲發射信號特征和SEM斷口形貌，綜合分析材料的損傷與失效機理。

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