复合材料目前在民用飞机设计制造领域的应用发展非常迅速,但火灾危险是其所面临的安全挑战之一。复合材料暴露于火灾环境中会发生热解,导致结构强度损失,无法保证结构完整性,同时会释放热量、气体和烟尘。本文为研究复合材料在火灾环境下的热响应,开展了碳纤维/环氧复合材料和玻璃纤维复合材料的热重实验,总结梳理了热响应机理;给出了热响应模型控制方程组,利用有限差分法对方程组进行数值计算,预报了热解过程中材料内部不同位置处的热响应和碳化过程;开展了碳纤维/环氧复合材料热响应试验。本文研究为碳纤维/环氧树脂和玻璃纤维/环氧树脂等常用航空复合材料结构热损伤分析、结构防火设计等提供了一种有效分析的工具。本文主要内容包括:首先开展了碳纤维/环氧树脂和玻璃纤维复合材料的热重分析实验,通过热重曲线和微分热重曲线研究了碳纤维/环氧复合材料和玻璃纤维复合材料在不同温升速率和不同气氛下的热解特性。选取Kissinger法和Flynn-Wall-Ozawa法对材料的热解动力学参数进行了数值计算,讨论了两种热分析法所建立的热解模型的适用性,并提出应建立考虑反应机理函数的热解模型,总结梳理了复合材料热响应机理。其次,给出了考虑热解动力学的复合材料一维热响应方程组,推导了热分析模型、热解模型以及质量守恒模型的有限差分格式,利用有限差分法实现了热解过程中材料内部不同位置处的热响应数值计算。开展了玻璃纤维/酚醛复合材料、玻璃纤维/环氧复合材料、碳纤维/环氧复合材料热响应特性分析,预报了单侧辐射热流作用下的温度-时间历程、温度-厚度分布、密度-时间历程、密度-厚度分布以及剩余质量分数随温度的变化。数值计算结果表明:本文所给出的非线性热响应方程组与计算方法能够预报不同复合材料体系的热响应,计算结果与算例中的实验结果吻合较好;给出了不同材料体系在高温情况下的碳化过程预报,明确了在高温下材料碳化的动态过程:随着深度增加,复合材料达到热解反应温度所需时间更长,材料密度下降速率随之降低,碳化过程变慢;热解反应区中不同位置的材料剩余质量分数在同一温度下不同,深度越大材料剩余质量分数越小,碳化程度越高。最后利用锥形量热仪对碳纤维/环氧复合材料层合板开展了热响应实验,可知在20kW/m~2和25 kW/m~2热流密度下,光滑面的质量损失分别大于粗糙面1%和6%;由于边界条件不同,20 kW/m~2热流密度下,暴露面的温度低于绝热面73℃。