一种碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料及其制备方法技术

一种碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料及其制备方法，其中该复合材料主要是由硅橡胶100质量份、白炭黑10~40质量份、聚芳基乙炔0~50质量份、碳纤维布1~30质量份、短切碳纤维0~40质量份、无机耐烧蚀填料5~40质量份、结构化控制剂0.5~10质量份、偶联剂1~10质量份和硫化剂1~10质量份配制成，该复合材料不易分层，具有优异的抗拉伸、抗冲击及耐烧蚀性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种复合材料，特别是涉及一种碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料及制备方法，能满足航空航天领域对高载荷、耐蚀性能的要求。
技术介绍
随着国际形势的不断发展，各个国家在航天器技术方面的竞争日益激烈，例如：长时间长距离飞行武器越来越成为世界各国研究的重要内容。这样就对材料提出两方面的要求，一为质轻：对于航天、航空飞行器减轻结构重量而言，发动机结构重量每减少1千克，飞机结构可减重4千克，升限可提高10米；一枚小型洲际导弹第三级结构重量每减少1千克，可增加射程15~20千米；航天飞机的重量每减少1千克，其发射成本可减少1.5万美元。另一要求为耐烧蚀。如航天飞机、火箭、导弹以超音速在大气层中飞行时，由于气动热环境极为恶劣，会使其表面处于高温高压的环境，表面温度高达4000~10000℃，压力可达10MPa。固冲发动机燃烧室工作时推进剂燃烧产生近4000℃高温，压力高达1200个大气压、气流速度达1马赫。在这样恶劣的环境中，使用碳纤维制备的复合材料起到了不可替代的作用。例如：导弹再入大气层的温度高达6000℃，任何金属材料都会化为灰烬，只有碳纤维/耐烧蚀基体复合材料仅发生烧蚀减薄，不会熔融。碳纤维/耐烧蚀基体复合材料兼具多种性能：密度低、高温下不熔不燃仅发生烧蚀、热膨胀系数小、抗热冲击能力强、热导率高、耐磨抗磨等。所以，在宇航工业中，其可以用作导弹、航天器的防热及结构材料。在众多碳纤维复合材料中，高聚物基碳纤维复合材料具有质轻的特点，并且硅橡胶作为绝热材料应用于固体火箭发动机或冲压发动机，具有较高的信号透过率、优良的耐烧蚀性能以及抗高温燃气冲刷等优点，将成为固体火箭发动机下一代绝热材料。但研究发现，硅橡胶材料和碳纤维界面结合力较差，材料力学性能相对较低，且材料经高温烧蚀后成碳率低，形成的碳烧蚀层易于脱落。聚芳基乙炔由于在固化过程中无小分子逸出；固化树脂交联密度高，耐高温性能优异；预聚物为液态或可熔的固体，易于浸渍纤维；热解成碳率极高，通常高于80%，且碳化收缩率低。美国N.Bilow等人提出以芳基乙炔预聚体作为碳/碳复合材料的浸渍剂，引起了许多学者的关注。总之，聚芳基乙炔由于其杰出的耐热性能和结构的稳定性，受到了国内外航空、航天领域专业人士的高度重视，成为聚合物基复合材料未来发展的重要部分，是极具潜力的一种防热材料。然而，目前的研究多集中在短切碳纤维/聚芳基乙炔，短切碳纤维/热硫化硅橡胶复合材料的制备及应用方面，对碳纤维布-热硫化硅橡胶-聚芳基乙炔的制备及其增强、耐烧蚀性的考察还未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的，是提供一种碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料，该复合材料质轻、耐高温、耐烧蚀，并具有优异的压缩强度、抗剪切和抗拉伸等性能。本专利技术的另一目的，是提供一种碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料的制备方法。采用的技术方案是：一种碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料，其特征在于该复合材料主要是由硅橡胶、耐烧蚀纤维、白炭黑、结构化控制剂、陶瓷化粉、炭化物、偶联剂和硫化剂制备，具体的质量份数配比为：硅橡胶：100质量份；白炭黑：10~40质量份；聚芳基乙炔：0~50质量份；碳纤维布：1~30质量份；短切碳纤维：0~40质量份；无机耐烧蚀填料：5~40质量份；结构化控制剂：0.5~10质量份；偶联剂：1~10质量份；硫化剂：1~10质量份。所述的硅橡胶为甲基乙烯基硅橡胶和甲基苯基乙烯基硅橡胶中的一种或两种。所述的白炭黑为气相法白炭黑。所述的碳纤维布可为平纹、斜纹或缎纹编织，碳纤维布的型号为1K、3K、6K或12K，密度为200、240或300g/m3。碳纤维布厚度可为0.22mm或0.25mm。所述的短切碳纤维单丝直径为5~10μm，长度为3~9mm。所述的无机耐烧蚀填料可为氧化锆、硼化锆、碳化锆、碳化硅中的一种或两种以上。所述的结构化控制剂为羟基硅油和苯基硅油中的一种或两种。所述的偶联剂为KH550、KH-560、KH-570中的一种或两种以上。所述的硫化剂为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰和双二五中的一种或两种以上。一种碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）碳纤维布及短切碳纤维的预处理：将碳纤维布裁剪成所需要的尺寸后和短切碳纤维分别在无水乙醇中，用超声波清洗器浸洗3~5分钟，过滤烘干后放入马弗炉中450℃煅烧45-65分钟，备用；（2）无机耐烧蚀填料的预处理：将1-10质量份偶联剂溶入无水乙醇中配制成浓度为1~5%的溶液，将1-10质量份无机耐烧蚀填料放入高速混合机中，喷入制备好的偶联剂溶液，混合5分钟后，放入烘箱中烘干，备用；（3）预制复合体制备在开炼机上依次加入100质量份热硫化橡胶、0-50质量份聚芳基乙炔、10-40质量份白炭黑、羟基硅油5-40质量份、步骤（1）制备的短切碳纤、步骤（2）预处理后的无机耐蚀填料、0.5-10质量份结构化控制剂、1-10质量份硫化剂，混炼均匀制得预制复合体，备用；（4）预制体的制备：将经步骤（1）制得的碳纤维布铺在模具上，在碳纤维布上涂刷经步骤（3）制得到的预制复合体，然后再在第一层预制复合体上铺上第二层经步骤（1）处理的碳纤维布，然后再在第二层该碳纤维布上涂刷经步骤（3）制得的预制复合体，以此类推，形成碳纤维布和预制复合体相间结构。每铺排一层碳纤维布，均对碳纤维布层进行针刺处理，直至所得材料达到预先设计的厚度，制得预制体。（5）硫化成型：用平板硫化机在压力为5~9MPa和温度为160~200℃的条件下进行一次硫化处理40~60min后取出后，放在高温烘箱中1.5~3h，温度为200~220℃，取出冷却至室温，即得到碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料。所述的层间预制复合体平铺的厚度≥1mm。所述的复合层为至少一层。所述的制备预制体时采用针刺法对碳纤维布层进行处理，预制复合体针刺入碳纤维布中的深度至少为0.22mm，针刺密度为30~60针/cm2。所述的硅橡胶为甲基乙烯基硅橡胶和甲基苯基乙烯基硅橡胶中的一种或两种。所述的白炭黑为气相法制得的白炭黑。所述的碳纤维布可为平纹、斜纹或缎纹编织，碳纤维布的型号为1K、3K、6K或12K，密度为200、240或300g/m3。碳纤维布厚度可为0.22mm或0.25mm。所述的短切碳纤维单丝直径5~10μm，长度为3~9mm。所述的无机耐烧蚀填料为氧化锆、硼化锆、碳化硼、碳化锆、碳化硅中的一种或两种以上。所述的结构化控制剂为羟基硅油和苯基硅油中的一种或两种。所述的偶联剂为KH550、KH-560、KH-570中的一种或两种以上。所述的硫化剂为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰和双二五中的一种或两种以上。本专利技术的优点为：本专利技术所提供的一种碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料及其制备方法，利用聚芳基乙炔和碳纤维布的良好亲和力，采用针刺技术，将基体共聚物带入碳纤维布的经纬缝隙间，制备的碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料不分层，使制备的材料具有优异的压缩强度、抗剪切、抗拉伸等力学性能。同时，由于材料既含有多层碳纤维布，又含有聚芳基乙炔，致使材料在烧蚀过程中碳层致密、坚韧不易脱落，极大的提高了材料的耐冲蚀性，降低了材料的线烧蚀率、质量烧蚀率，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料，其特征在于该复合材料主要是由硅橡胶、耐烧蚀纤维、白炭黑、结构化控制剂、陶瓷化粉、炭化物、偶联剂和硫化剂制备，具体的质量份数配比为：硅橡胶100质量份、白炭黑10~40质量份、聚芳基乙炔0~50质量份、碳纤维布1~30质量份、短切碳纤维0~40质量份、无机耐烧蚀填料5~40质量份、结构化控制剂0.5~10质量份、偶联剂1~10质量份、硫化剂1~10质量份。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料，其特征在于该复合材料主要是由硅橡胶、耐烧蚀纤维、白炭黑、结构化控制剂、陶瓷化粉、炭化物、偶联剂和硫化剂制备，具体的质量份数配比为：硅橡胶100质量份、白炭黑10~40质量份、聚芳基乙炔0~50质量份、碳纤维布1~30质量份、短切碳纤维0~40质量份、无机耐烧蚀填料5~40质量份、结构化控制剂0.5~10质量份、偶联剂1~10质量份、硫化剂1~10质量份。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料，其特征在于：所述的硅橡胶为甲基乙烯基硅橡胶和甲基苯基乙烯基硅橡胶中的一种或两种；所述的白炭黑为气相法白炭黑。3.根据权利要求1所述的一种碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料，其特征在于：所述的碳纤维布为平纹、斜纹或缎纹编织，碳纤维布的型号为1K、3K、6K或12K，密度为200、240或300g/m3。碳纤维布厚度为0.22mm或0.25mm；所述的短切碳纤维单丝直径为5~10μm，长度为3~9mm。4.根据权利要求1、2或3所述的一种碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料，其特征在于：所述的无机耐烧蚀填料为氧化锆、硼化锆、碳化锆、碳化硅中的一种或两种以上；所述的结构化控制剂为羟基硅油和苯基硅油中的一种或两种；所述的偶联剂为KH550、KH-560、KH-570中的一种或两种以上；所述的硫化剂为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰和双二五中的一种或两种以上。5.一种碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）碳纤维布及短切碳纤维的预处理：将碳纤维布裁剪成所需要的尺寸后和短切碳纤维分别在无水乙醇中，用超声波清洗器浸洗3~5分钟，过滤烘干后放入马弗炉中450℃煅烧45-...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳辉，马超，高景龙，苏靖宇，李勇，尹正帅，智业，张宇，
申请(专利权)人：沈阳理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21