高温热解下针刺短切纤维增强硅酚醛树脂的微观结构演变与渗透性模拟研究

本文推荐：该研究通过溶胶-凝胶法和常压干燥工艺制备针刺短切纤维增强硅酚醛树脂（NFSPR）多孔复合材料，结合扫描电镜（SEM）和纳米CT（Nano-CT）技术，系统分析了400°C和800°C热解过程中孔隙结构（如孔隙数量、喉道尺寸）的演变规律及其对渗透率的影响。研究发现热解后大孔隙体积占比超99%，且绝对渗透率显著提升（如X方向达9.0×10?13m2），为航天热防护材料（TPM）的优化设计提供了关键理论依据。

　　

Highlight

本研究通过实验制备了针刺短切纤维增强硅酚醛树脂（NFSPR）基多孔复合材料，并对比分析了未热解、部分热解和完全热解样品的性能差异。基于扫描电镜（SEM）和纳米CT（Nano-CT）图像，利用AVIZO软件重构了多孔结构模型，系统研究了2D/3D孔隙特征参数及其对渗透行为的影响机制。

Preparation of NFSPR-based composite and its microstructure

NFSPR基多孔材料以3D低密度石英纤维针刺毡为增强体，硅改性酚醛树脂（固含量25wt%）为基体，通过溶胶-凝胶法和常压干燥工艺制备。硅改性酚醛树脂的合成参考Xu的研究[28]，石英纤维针刺毡由湖北菲利华石英玻璃有限公司提供，体积密度为0.34 g·cm^?3，平均纤维直径未明确标注。

Results and Discussion

材料内部孔隙的生成主要源于：（1）液态硅改性酚醛树脂与石英纤维的浸润缺陷导致纤维/基体界面存在大尺寸间隙；（2）溶剂低分子组分挥发或树脂固化过程中气体释放形成亚微米级孔隙。

Conclusion

主要结论如下：

1）材料制备过程中因树脂分解和石英纤维重排，小孔隙逐渐发育为大孔隙，但等效半径＜1μm的孔隙仍占多数，仅少数孔隙半径＞5μm，其体积分数却超过99%；

2）孔隙连通性增强导致喉道数量和尺寸增加，显著降低了流体流动阻力；

3）渗透模拟证实热解后各方向绝对渗透率显著提升（如X方向达9.0×10^?13m²），为极端热环境下热防护材料的优化提供了重要依据。