树脂基防隔热复合材料高温响应分析方法研究进展

张 军，李 伟，方国东，梁 军，孟松鹤

(1. 哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室，哈尔滨 150001； 2. 中国空气动力研究与发展中心超高速研究所，绵阳 621000；3. 北京理工大学先进结构技术研究院，北京 100081)

0 引 言

航天器高速返回地球大气或者进入其他行星大气层的过程中，会受到强烈的气动加热效应，飞行器表面温度可达数千摄氏度[1-2]，因此需要采用热防护系统对飞行器进行保护[3]。树脂基烧蚀复合材料由于其优异的防隔热性能，并具有相对较低的密度，被广泛应用于返回式卫星、弹头和固体火箭发动机防热结构中，并且也是新式烧蚀防热材料发展的重要方向。树脂基防隔热复合材料在高温条件下的响应是热防护结构设计的重要依据，对烧蚀热防护系统设计和优化具有重要意义，同时也对改进和开发这类材料具有指导作用。因此，本文针对近些年关于树脂基防隔热复合材料高温响应的相关研究工作，从材料高温热物理及力学性能分析方法、热/力/化学多场耦合分析方法以及材料高温试验测试三个方面进行了论述。

1 热解材料热物理及力学性能分析方法

随着温度升高，树脂基复合材料中的树脂基体会发生热分解反应，生成热解气体和新的固体相，并且材料的物理和化学性质发生变化[3-4]。热解过程对材料结构的温度和承载能力有重要影响，因此研究高温条件下树脂基复合材料的热解、热物性和力学性能演化规律是预报材料高温响应的基础。

在不同热解程度下树脂基复合材料的热物理性能可利用热解程度将未热解和完全热解材料的性能进行线性插值得到，也可以通过微细观模型结合组分相的性能来计算材料的等效热物性。另外，可以通过宏观实验确定材料的力学性能随温度的变化规律，也可以通过细观分析模型结合组分材料性能计算等效力学性能。预报材料热物性和力学性能的关键是正确分析材料的热解过程。热解动力学是研究材料热解过程的分析方法，一般先假定材料热解动力学方程符合特定的数学形式，然后从实验数据中提取动力学参数。

1.1 材料热解动力学分析方法

由于树脂合成和固化的工艺不同，树脂的分子结构也千差万别，其热解机制和热解产物也不尽相同，如残炭率和热解气体的相对摩尔分数等[5-6]。在高温无氧条件下，酚醛树脂的热解反应速率通常假定符合阿伦尼乌斯方程形式[5, 7]：

(1)

式中：α是热解程度，A为指前因子，n为反应级数，E为活化能，T为温度，R为气体常数，t为时间。

有些学者认为酚醛热解过程满足多个阿伦尼乌斯方程的叠加形式。获得热解动力学参数最常见的方法是将树脂在特定升温速率下从室温缓慢加热到高温，获得树脂残余质量与温度的关系曲线，然后分析曲线特征，通过Coats-Redfern积分法、Kissinger法、Ozawa法和Crane法等方法获得所需要的动力学参数。黄娜等[8]采用热重分析法和热重质谱联用技术对氨酚醛树脂的热解过程进行分析，利用Coats-Redfern积分法得到了氨酚醛树脂的热解动力学参数，发现氨酚醛树脂的热解反应分为两种过程：在600 ℃以下的低温区，以链断裂反应为主；在600～800 ℃的高温区，以脱氢反应为主。吴利敏等[9]利用热失重分析仪对聚醚醚酮改性酚醛树脂的热解过程进行分析，将树脂的热解过程分为3个阶段，根据Kissinger法、Ozawa法和Crane法建立了热解动力学模型，得出热解活化能、指前因子和反应级数。刘晓洪[10]用热重法对钼酚醛树脂的热分解过程进行了分析，研究了钼酚醛树脂配方比例对热失重率、热分解温度、反应级数和活化能的影响。许阳阳[5]采用热失重法对轻质碳/酚醛烧蚀复合材料进行测试，并根据试验曲线获得轻质碳/酚醛复合材料热分解动力学参数。也有学者认为，在实际烧蚀过程中材料升温速率极高，因此缓慢升温的方法所确定的动力学参数与实际不符。文献[11-13]用激波管方法研究了酚醛树脂在温度范围1000～2000 K之间的热解过程，发现在激波管快速升温环境下，酚醛树脂的热解过程、热解产物以及热解动力学过程与缓慢升温有显著不同。

综上所述，描述材料在高温条件下热解过程的热解动力学分析方法，依赖于不同升温速率的实验测试数据，往往存在很大的离散性，因此需要开展大量实验确定材料的热解动力学参数，并且需要慎重确定模型参数及明确模型的适用条件。另一方面，热解动力学方法很少考虑有氧气体氛围下树脂基复合材料热解过程，而在实际的应用环境中树脂基复合材料在高温条件下总能受到有氧环境的影响，因此未来应针对有氧氛围的热解动力学进行研究。

1.2 不同热解程度下材料热物理性能预报方法

伴随着树脂基体热解产生气体，并生成具有大量孔隙的固体炭化物，基体中树脂相、焦炭相和孔隙的含量不断发生变化，直到树脂完全热解[4,14-15]。因此，需要建立材料热解相变模型来预测材料热物理性能的演化过程。目前主要通过树脂热解程度对热解前后热物理性能进行线性插值得到一定热解程度下材料的热物理性能，或者利用简化的几何模型得到材料热物理性能与热解程度的关系。

热解程度的线性插值模型需要通过实验测试分别获得原始树脂、完全炭化树脂的热物理性能。则热物理性能λ可以表示为

λ=λv(1-α)+λcα

(2)

式中：α为材料的热解程度，下标v和c分别表示原始材料和完全炭化材料的性能。该线性插值方式形式简洁，被广泛应用于求解材料烧蚀过程中的热物理性能，但是其正确性和适应性尚未经过检验。

利用简化几何模型求解不同热解程度下材料热物理性能的方法，是通过假设树脂基体相变满足一定的几何关系，将材料的热物性与材料热解过程中产生的不同相含量联系起来。Dimitrienko[16]假定相含量分布符合简化的立方体模型，推导出了孔隙相、树脂相和焦炭相的体积分数变化规律，然后基于渐进展开均匀化方法求解了树脂热物理性能的变化规律。相比于简单线性插值方法，简化模型的方法考虑了热解过程中树脂内存在的不同相，体现了相分布和界面对等效热物性的影响，但其有效性和适应性也未经过验证。类似地，也有一些学者通过代表性体积元通过数值模拟或者等效热阻理论计算材料的热物理性能[17-18]。Zhou等[19]提出了一种计算变结构参数有效导热系数的通用方法，考虑酚醛树脂基体中孔隙的影响，建立了多孔模型计算得到了不同孔隙率和孔型的基体的有效导热系数。

1.3 热解材料在高温条件下力学性能分析方法

烧蚀型树脂基复合材料在高温条件下，随着树脂基体的分解其力学性能不断发生变化。Gibson等[20]对单侧热流作用下的复合材料层合板进行了热力分析，预测了温度沿厚度的分布和残余树脂含量的分布，并把温度分布和树脂残余量作为已知条件，建立了弹性常数与温度和树脂含量的函数，其材料性能的变化规律由改进的Mahieux-Reifsnider模型[21]表示：

(3)

式中：P(T)对应材料性能，PU和PR为未松弛(低温)和松弛(高温)的材料性能，η为分布宽度常数，T′是玻璃化温度，Wn是树脂残余量，T为当前温度。

Bai等[22]认为树脂基复合材料是处于玻璃状、皮革状、橡胶状或分解状态的材料混合物，基于阿伦尼乌斯方程建立了纤维增强复合材料在不同温度范围内(包括玻璃化转变和树脂分解)的拉伸模量、剪切模量、黏度和有效热膨胀系数随温度变化的预测模型，预测结果与实验结果吻合较好。但是这种按照材料四种状态进行分析的方法基本都是在较低温度(小于300 ℃)下进行分析和验证，是否适应更高温度和快速升温条件下的材料力学性能预报还需要进一步验证。Florio等[23]计算发现酚醛基复合材料基体分解的内部气压可达外部气压的15倍，指出这种压力足够导致基体开裂、分层和纤维基体脱黏损伤等。文献[24-25]把热力响应模型整合到商用软件ABAQUS中分析复合材料在高温下的力学响应，在不同组分之间使用内聚力模型(内聚强度与温度相关)，考虑材料热分解、气体压力和力学响应，最后的强度直接与施加的温度分布历史有关，其中应力平衡方程和应力应变关系都是由不同相平均得到。这类相平均的方法虽然考虑了各种相含量动态变化过程对力学性能的影响，但是也会造成内部应力和应变被平均，使强度预报出现显著偏差。另外，Feih等[26]利用式(3)的半经验热力模型预测了树脂基复合材料在一侧受辐射热联合拉伸或压缩载荷作用下的响应，利用材料的剩余强度来获得材料的破坏时间。Anjang等[27]提出了一个类似的热力学模型，研究了纤维取向对夹层复合材料高温拉伸承载性能、失效时间和失效机理的影响。文献[28-29]分析了玻璃纤维/乙烯酯复合材料在压缩和单侧加热条件下的蠕变破坏过程，在玻璃化温度附近可恢复的粘弹性响应能够延迟破坏，材料压缩破坏的应力采用改进的Budiansky-Fleck模型：

(4)

Gu和Asaroa[30]分析了纤维增强树脂基复合材料板在横向热载下的扭曲变形现象，由功能梯度材料的弯曲理论确定了热变形表达式，发现热变形与材料的变化和温度分布直接相关，材料的变形中心轴不再是几何对称轴，材料性能衰减采用与温度相关的唯象模型来描述：

(5)

式中：E0是初始时常温状态下的弹性模量，Tref为材料失效温度，m为0到1变化的指数因子，T为当前温度。Papanicolaou等[31]研究了树脂基复合材料受低温热载荷疲劳条件下的蠕变问题，发现蠕变柔度与循环加热的次数之间成指数递减，与加载的时间无关：

(6)

式中：C为循环加载后的蠕变柔度，C0为未循环加载的蠕变柔度，C∞为在循环加载中最小的蠕变柔度，ΔT为温度变化范围，Tg为玻璃化温度，T0为室温。

上述这些材料高温力学性能预报模型主要建立与树脂残留率的关系，并且通过实验来确定模型中的待定参数，但未研究材料高温力学性能变化的主要机制，而是基于现象的宏观拟合，这些方法概念简洁明了，在树脂基复合材料高温力学性能预报中依然被广泛使用。

还有一些学者根据材料热解过程中各种相含量的变化，采用微细观力学方法获得材料在高温下的力学性能，避免了引入经验系数。Dimitrienko[32]对防热复合材料高温性能进行了大量研究，通过典型周期性单胞计算了基体材料的等效特征，建立了基体烧蚀过程中的失效模型，并通过实验验证了模型的有效性。Dimitrienko[32]的分析方法可以对树脂基复合材料从室温到高温的力学性能进行分析，所预报的性能变化趋势接近实验结果，但是其研究过程对模型的过度简化(例如1级热解反应假设和气密性假设)使得预报的力学性能和实验结果差异较大。文献[15, 33]采用细观力学等效夹杂理论，考虑树脂基体相变过程中树脂相、焦炭相和气孔的体积分数变化，计算树脂基体在线性升温条件下的弹性性能变化规律，给树脂基复合材料高温力学分析方法提供了新思路。时圣波[34]考虑升温过程引起的相变，预测了高硅氧/酚醛复合材料的弹性性能和强度随温度的变化规律。Li等[35]基于细观力学等效夹杂理论，考虑了纤维含量的影响，计算了树脂基复合材料在烧蚀条件下的力学性能变化，这种方法虽然考虑了细观因素(纤维含量和孔隙)对材料高温力学性能的影响，但是依然使用了横观各向同性假定和细观等效方法，忽略了材料真实细观结构对高温力学性能的影响。Wang等[36]提出了一种不需要经验参数的计算方法，确定多相复合材料的弹性特性，采用格子玻尔兹曼法求解多相微结构的控制方程，预测了多相复合材料真实结构的有效弹性性能。但是这种从微细观尺度进行数值模拟计算力学性能的方法计算量大，难以适用于树脂基复合材料在高温条件下力学性能分析。总之，这类方法减少了模型中的经验参数，只需要少量的基本材料参数即可预报材料力学性能，但是这些方法目前只能对在惰性气体或真空环境下材料相变组分较简单的材料性能进行预报，并且这些方法的有效性和适用性也需要进一步验证。另外，目前主要分析树脂基复合材料在高温拉伸和压缩响应，并没有进行复杂载荷条件下的破坏分析。因此，需要进一步分析树脂基防隔热复合材料在高温复杂载荷条件下的力学响应，建立精确的热力学模型而减少对经验数据的依赖。

2 树脂基复合材料热/力/化学多场耦合分析方法

在烧蚀过程中，材料内部发生多种热传递现象，如树脂热解吸热、热解气体对流换热和固体热传导等[37]，因此树脂基复合材料高温热响应表现为复杂的多物理场耦合问题。

目前国内外学者针对树脂基复合材料提出了多种高温响应分析模型及方法，可以将这些模型分为简化模型和多物理场耦合模型。简化模型只对材料的防热能力进行大致预估，可以给出材料温度分布的大致规律和量级，计算简单但精度较低。多物理场耦合模型，充分考虑了树脂基复合材料内部发生的复杂热/力/化学耦合因素，可以更加精确地预报材料响应，但是计算量大且较复杂。

2.1 简化的高温响应分析模型

按材料内部热传差异划分不同区域，在每个区域中求解单独的能量方程，从而获得材料内部的温度响应。通常该方法忽略热解现象，在内部热响应过程中不考虑由材料热解引起的相变吸热、热解气体输运等，认为材料的热物理性能只与温度有关，不同温度下材料的热物理性能由实验获得，或者直接假定温度分布满足某种特定形式[2]。这是早期出现的一类模型，可以估算出材料大致的温度量级，简洁方便但精度很低，只对特定条件下材料的温度响应有比较好的预报效果。由于树脂热解对于材料的烧蚀热响应影响较大，要精细预报温度响应就需考虑热解现象。热解面模型假定材料的热解只在特定的无厚度薄层发生，将材料分为碳化层和原始材料层。在热解面模型中，将热解面处理为有温度突变的边界条件，热解面的上表面温度为树脂完全热解的温度，热解面的下表面温度为树脂开始热解的温度，通过热解温度来确定热解面位置[3]。热解层模型是在热解面模型基础上将热解区域划分为单独的一层，并根据热解的起始温度和碳化层、原始材料层进行匹配[3, 38]。热解层模型可以更加精确地预报材料的热解区域和温度，但是增加了移动界面数量，使求解程序更加复杂，并且加大了计算量。

上述几个模型主要是在烧蚀型复合材料研究早期发展起来的，限于当时计算条件的限制，这些方法主要采用有限差分方法求解，并只求解材料的一维烧蚀响应。这些方法简洁且计算相对容易，在早期的烧蚀型热防护系统设计中发挥了巨大作用，但是其精度和分析能力较低。

2.2 多物理场耦合分析模型

随着有限体积法和有限元法的发展，逐渐出现了求解材料烧蚀的多物理场耦合分析模型[39]。多物理场耦合分析模型对材料热传递过程涉及的多个物理场控制方程进行耦合求解[40]。材料烧蚀过程中的能量方程为

(7)

式中：ρs为固体相密度，cs为固体相比热，φg为气体相体积分数，ρg为气体相密度，hg气体相焓值，k为材料热导率，vg为气体质量流率，ΔHp为固体相热解焓变，μ为气体黏性系数，K为材料的渗透率，T为当前温度，t为时间。

在式(7)中，左侧第一项代表材料升温吸热，右侧第一项代表热传导引入的热量，第二项代表热解气体流动带入固体内部的热量，第三项代表热解过程的吸热量，第四项代表热解气体流动耗散的能量。该方程引入了热解气体运动、热解吸热等关系，全面地考虑了材料内部涉及的多种热能传递和转化关系，需要补充如下方程：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：P为气体的压强，1+β/P为Klinkenberg修正系数考虑当Knudsen数不是很小时气孔内气体的滑移效应，1+F0为Forchheimer修正系数考虑气孔内的高速气体效应，ρc为炭化材料密度，ρv为原有固体密度，A,E和n是热解动力学参数，V为热解气体产生率，R为气体常数，Mg为热解气体的分子量，T为当前温度，t为时间。

这种方法涉及偏微分方程、常微分方程的耦合关系，使得求解比较复杂并且计算量较大。为求解类似的方程组，近年来开发了很多的热化学烧蚀响应程序。Chen等[40]提出了一个隐式烧蚀和热响应程序FIAT，用于模拟各向同性烧蚀材料和结构中的一维瞬态热能传输，可以求解材料的烧蚀量和热解深度。随后对FIAT进行升级[41]，可以计算含多种热解气体组分影响条件下的表面热化学烧蚀速率。Chen等[42]在FIAT的基础上，开发了用于预测炭化材料烧蚀和热防护材料形状变化的TITAN程序，控制方程包括能量守恒方程和三组分分解模型，采用动网格求解表面能量平衡条件，以计算表面烧蚀后退而引起的形状变化，控制方程通过有限体积法求解并采用贴体坐标进行离散。通过隐式时间推进技术和交替扫描的高斯-赛德尔线松弛技术对耦合方程进行求解，该求解器可以与高精度的气动力、热计算代码直接集成。Lachaud等[39]基于开源的OPENFOAM平台开发了多孔材料烧蚀和热响应计算程序PATO，可以求解内部热解气体组分的分布和演化。Dec等[43]开发了用于三维瞬态热结构分析的有限元烧蚀和热响应程序，开发了用于热防护系统的概率设计方法。上述几种求解方法和工具可以应用于工程实际需求，并且可以和其他模块(如气动热计算)结合，模拟材料在复杂高温环境的响应。此外，也有学者采用商业软件开发了多物理场求解器。Wang等[44]通过二次开发，将烧蚀相变模块用子程序引入ABAQUS模拟，实现了一维烧蚀热响应的计算。Li等[37]基于商业软件COMSOL开发了烧蚀和热响应工具，求解了多物理场控制方程组，并和表面烧蚀热化学烧蚀边界条件耦合，通过移动网格边界模拟由材料烧蚀引起的表面后退。但由于商业软件二次开发的功能限制，其可实现的烧蚀响应模拟功能十分有限。

近年来，也有学者研究了树脂基复合材料高温条件下的热力耦合响应。McManus和Chamis[45]采用顺序耦合方法计算了树脂基复合材料的平均压缩应力和纵向应变。Sullivan等[46]针对碳/酚醛复合材料建立了温度/扩散/变形耦合问题的控制微分方程，利用有限元方法进行求解，得到了材料的热应变和热应力随加载时间的变化曲线。时圣波[34]基于自编有限元程序，求解了单侧热流加热条件下的高硅氧/酚醛复合材料热/力/烧蚀响应，计算得到的材料位移场和实验结果较吻合。Luo等[24]把热力学结构响应模型生成工具包整合到商用软件ABAQUS的子程序中，分析复合材料在高温的力学响应。Wang等[47]建立了一个描述雷击与树脂基复合结构热相互作用的物理模型，该模型考虑了层状各向异性复合材料的非线性瞬态传热、温度相关的材料特性、闪电通道的移动边界和升华引起的相变移动边界，基于ABAQUS对风力机叶片顶端玻璃纤维复合材料板在雷击下的热损伤进行了评估。上述高温力学响应模拟大多只考虑材料的变形和应力等响应，未来应当针对树脂基复合材料在复杂高温条件下的破坏过程进行重点研究。目前还缺少研究具有复杂几何外形的树脂基复合材料的响应以及复杂载荷环境下的耦合分析能力。

3 树脂基复合材料高温试验测试表征方法

试验测试是认识极端热环境下烧蚀材料的高温响应的最基本方法，常见的高温响应试验测试方法有风洞烧蚀、氧乙炔烧蚀、石英灯加热试验及其他试验测试方法。

风洞烧蚀实验是利用风洞装置产生的高速气流作用于试样，使试样表面产生高温和气动力作用的环境，用于在实验室中模拟真实的烧蚀环境。风洞不仅可以模拟材料表面的热环境，而且可以模拟气流对实验件的气动力作用，比较好地复现了烧蚀材料的极端热环境。Helber等[48]利用电弧风洞研究了空气和氮气等离子体中碳/酚醛复合材料的烧蚀和瞬态热解气体，研究了材料在高热流条件下的抗烧蚀性能，并描述了气体表面相互作用现象。Turchi等[49]重现了电弧风洞的烧蚀试验数据，利用不确定性量化分析方法，探讨了等离子风洞测试条件的不确定估计对烧蚀模型结果的影响。Owiti等[50]在1 MW的电弧风洞中将多孔碳低密度烧蚀材料在氮气氛围下加热，并分别通过实验和数值分析了它们各自的热响应，对测试材料中的辐射热传递进行建模，并评估材料的消光系数。Kubota等[51]利用电弧加热等离子体风洞对烧蚀材料和碳纤维增强树脂基复合材料夹芯板的组合热防护系统进行了测试，以评估其热防护性能和热响应。Paglia等[52]制备了一种密度为0.5 g/cm3的轻质碳酚醛烧蚀体，在等离子体风洞上测试了这种材料的烧蚀性能，对试样的表面温度进行监测、测量了烧蚀量和热解深度，并且对试样的微观结构进行了观测，研究了高热流烧蚀环境对这种材料的影响。Zhu等[53]利用电感耦合等离子体风洞装置对蜂窝增强轻质烧蚀材料进行试验并监测了不同深度位置处的温度响应。冯志海等[54]对2.5D高硅/酚醛、短纤维模压高硅氧/酚醛、高硅氧/酚醛、三向碳/碳等四种烧蚀材料在燃气流中进行驻点烧蚀试验，发现粒子含量、速度和粒子种类对材料驻点烧蚀侵蚀有较大影响。通常风洞烧蚀法能更真实地模拟材料在使用时的热力环境，但是价格昂贵。

石英灯加热采用石英灯管产生的高温热辐射加热试样表面。吴大方等[55]自行研制的石英灯红外辐射式气动热环境试验模拟系统，可实现高升温速率、高热流密度和高达1500 ℃超高温氧化热环境，并基于该装置发展了超高温热环境力学测试技术，实现高温热振联合试验和结构隔热性试验。华小玲等[56]采用石英灯测试了酚醛树脂基复合材料的静态隔热性能。王晓洁等[57]采用石英灯静态加热实验对复合材料发动机壳体的背壁温度及烧蚀状态进行试验，考核了复合材料结构在高温下的完整性和隔热性能。石英灯加热价格便宜，可以对较大试验件进行加热，但是石英灯装置内部气体流动会影响树脂基复合材料表面的气体氛围，使材料表面过早进入缺氧状态而低估材料的烧蚀量。因此，未来可以在现有石英灯加热方案的基础上，加入可以控制气体环境的装置，实现对热环境更精确的模拟。

氧乙炔烧蚀实验是利用氧气-乙炔气体混合燃烧产生的高温来加热试样，通常用于考核材料的抗烧蚀性能和隔热性能。易法军等[58]利用氧-乙炔实验台对布带缠绕型炭/酚醛复合材料进行了模拟烧蚀实验，测试了烧蚀过程中材料表面和厚度方向温度响应历程和质量烧蚀率，对材料表面和内部烧蚀特征进行了图像观察，并分析了材料烧蚀过程中裂纹形成的原因。李林杰等[59]通过氧乙炔烧蚀装置结合非接触式高温变形测量系统，对高硅氧/酚醛防隔热复合材料的温度和变形进行测量，并对试样体积烧蚀后的表面微观形貌进行了分析。许阳阳[5]采用氧乙炔焰加热陶瓷块产生辐射热流，对低密度碳/酚醛复合材料进行加热，考核了材料的隔热性能，测试了材料不同位置处的温度时间历程。氧乙炔实验装置价格便宜易得，可通过普通氧乙炔焊枪直接对材料进行加热，也可以和高温计、DIC散斑等测试装置联用。但是氧乙炔装置的火焰同样影响试件附近的气体组分状态，进而低估材料的烧蚀量。

另外，哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所研发了一套汇聚太阳能的烧蚀实验装置，该装置可以跟踪太阳位置移动，形成比较稳定且强大的聚焦光源，对试件进行较长时间加热。文献[34, 60]采用此装置以外界自然光为光源测量了单侧热流载荷下高硅氧/酚醛的体积烧蚀行为。Cai等[61]用黑体炉和样品加热器在200～500 ℃的温度下，用傅里叶变换红外光谱法测定了炭化样品在2.5～25 μm波长范围内的光谱发射率，发现炭化烧蚀材料的光谱发射率与炭化烧蚀材料的光谱发射率接近碳化酚醛树脂。树脂基复合材料在高温下的热/力/化学行为复杂，很难用某一种实验方法把所有的现象都复现，只能针对所研究的具体问题，有针对性的选用和设计实验装置得到特定高温环境来探究材料在特定环境的响应机制。

4 结论及展望

本文从材料性能预报模型、热/力/化学耦合分析方法和试验方法三个方面对树脂基防隔热复合材料在高温下的响应分析方法进行论述，得到主要结论及研究展望如下：

1) 现有的热解动力学模型主要通过惰性(或真空)氛围条件下的缓慢升温过程确定其热解动力学参数，未来需要进一步研究复杂气氛和快速升温过程的热解动力学模型；现有的热物性演化模型主要是采用线性插值或者简化模型方法预报热物性，未来需要进一步从材料微结构演化方面出发利用理论或数值分析方法确定不同热解状态下材料的热物理性能；现有的力学模型是研究材料的高温刚度性能，还需要进一步发展材料高温强度预报模型。

2) 现有的热/力/化学耦合分析模型主要是对树脂分解、热传导以及变形耦合求解，一般不直接耦合外界气体边界，并且主要针对简单的几何模型进行研究。为适应未来工程需求，应进一步发展对复杂几何模型的分析方法，并且对复杂的外界气体环境进行耦合分析。

3) 目前主要采用风洞、石英灯和氧乙炔等对树脂基复合材料的高温响应进行实验研究，但还需要更精准地控制实验的热环境，另外也需要结合理论及数值算法分析地面试验环境，重现材料地面试验的高温响应。