一种定向导热隔热材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及热防护技术领域，提供了一种定向导热隔热材料及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)将粘胶基碳纤维分散于水中，依次加入酚醛树脂和聚丙烯酰胺，得到分散液I；将高导热碳纤维分散于水中，依次加入酚醛树脂和聚丙烯酰胺，得到分散液II；(2)将分散液I和分散液II分别均分为若干份，将每一份分散液I和每一份分散液II依次交替倒入模具中直至倒尽所有的分散液I和分散液II，每倒一份分散液I或分散液II，进行一次排水，得到多孔碳纤维骨架，经固化后得到预成型体；(3)将步骤(2)得到的预成型体进行热处理得到所述定向导热隔热材料，本发明专利技术的定向导热隔热材料，具有良好的隔热性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种定向导热隔热材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及热防护
，尤其涉及一种定向导热隔热材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]热防护系统(TPS)被认为是高速飞行器在发射和再入过程中防止气动加热的关键结构。隔热材料是热防护系统的重要组成部分，它可以防止热量从外部向内部传递。目前大面积热防护材料选用的是陶瓷热隔热瓦及其复合气凝胶等。为了解决陶瓷隔热瓦的脆性问题，碳粘结碳纤维(CBCF)复合材料作为一种新型的隔热料被广泛应用于TPS。CBCF由短切碳纤维骨架组成，其密度低至0.1
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0.5g/cm3，孔隙率高达70
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90％，具有优异的耐高温和隔热性能。实际上，高速飞行器在服役过程中表面温度分布是不同的。如果将局部产生的高温迅速疏导到其它低温区，实现热量均质化，热防护材料的隔热效率将会大幅提高。因此，需要一种沿厚度方向具有低导热、沿面内方向具有高导热的新型热防护材料。
[0003]因此，针对以上不足，需要提供一种集成导热和隔热于一体的热防护材料的概念，即材料沿面内方向具有较高的热导率，沿厚度方向具有优异的隔热性能，并通过导热层和隔热层分层一体化设计制造，制造出定向导热隔热新型热防护材料。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题在于热防护材料表面温度分布不均，隔热效率低，针对现有技术中的不足，提供一种定向导热隔热材料及其制备方法，以保证材料在厚度方向上具有地导热率的同时具有高的面内导热率，从而提高材料本身隔热效率。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种定向导热隔热材料及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0006](1)将粘胶基碳纤维分散于水中，依次加入酚醛树脂和聚丙烯酰胺，得到分散液I；将高导热碳纤维分散于水中，依次加入酚醛树脂和聚丙烯酰胺，得到分散液II；
[0007](2)将分散液I和分散液II分别均分为若干份，将每一份分散液I和每一份分散液II依次交替倒入模具中直至倒尽所有的分散液I和分散液II，每倒一份分散液I或分散液II，进行一次排水，得到多孔碳纤维骨架，经固化后得到预成型体；
[0008](3)将步骤(2)得到的预成型体进行热处理得到所述定向导热隔热材料。
[0009]本专利技术通过将碳纤维、粘接剂在水中分散，进一步制备成多孔纤维骨架，热处理后得到的定向导热隔热材料，制备过程由于酚醛树脂在高温熔融或裂解碳化附着在纤维表面作为纤维的粘接剂将纤维搭接起来，在纤维搭接处形成了节点，使得纤维骨架具有很高的力学性能，制备过程工艺简单易行，尺寸及形状可调控，而且易于加工，可根据具体设计要求确定，具有良好的隔热性能。
[0010]本专利技术中粘胶基碳纤维和高导热碳纤维可分别作为隔热结构单元和导热结构单元。本专利技术所使用的酚醛树脂，可以是本领域常用的任何型号或品牌的酚醛树脂，本专利技术不做特别限定，所使用的酚醛树脂，一般呈粉体状进行使用。
[0011]优选地，步骤(1)中所述粘胶基碳纤维、酚醛树脂和水的质量比为1:(0.5～1):(50～70)，例如可以是1:0.5:50、1:0.7:55、1:1:60、1:1:65或1:1:70。本专利技术中，如果酚醛树脂含量太少则纤维之间粘结变差，材料力学性能下降；酚醛含量太多则碳化过程材料收缩严重。优选为粘胶基碳纤维与酚醛树脂的质量比为1:1，此时材料基本不收缩。
[0012]优选地，步骤(1)中所述高导热碳纤维、酚醛树脂和水的质量比为1:2:(50～70)，例如可以是1:2:50、1:2:55、1:2:60、1:2:65或1:2:70。
[0013]优选地，步骤(1)中所述粘胶基碳纤维的长度小于1mm，例如可以是0.1mm、0.5mm、0.8mm等等。粘胶基碳纤维一般为短切粘胶基碳纤维。
[0014]优选地，步骤(1)中所述高导热碳纤维的长度为1～10mm，例如可以是1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或10mm等。高导热碳纤维形成的高导热层，其高导热层中材料可以替换为石墨烯、碳纳米管等具有高导热性能的材料。
[0015]优选地，步骤(1)中所述高导热碳纤维的导热系数为600～1000W/(m
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k)，例如可以是600W/(m
·
k)、700W/(m
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k)、800W/(m
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k)、900W/(m
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k)或1000W/(m
·
k)等。
[0016]优选地，在步骤(1)所述分散液I中，聚丙烯酰胺的质量为粘胶基碳纤维质量的0.01％～0.1％，例如可以是0.01％、0.05％、0.08％或0.1％等。本专利技术中聚丙烯酰胺的含量太少时，无法起到任何作用，而如果聚丙烯酰胺的按量过多，纤维容易聚集成团，分散性降低。
[0017]在步骤(1)所述分散液II中，聚丙烯酰胺的质量为高导热碳纤维质量的0.01％～0.1％，例如可以是0.01％、0.05％、0.08％或0.1％等。
[0018]优选地，步骤(1)中粘胶基碳纤维、酚醛树脂和聚丙烯酰胺分散于水中时，在搅拌状态下进行，所述搅拌的转速为500～800r/min，例如可以是500r/min、600r/min、700r/min或800r/min等，搅拌时间为20～40min，例如可以是20min、30min、40min等。粘胶基碳纤维、酚醛树脂和聚丙烯酰胺三种物质在加入到水中时，都在搅拌状态下进行。
[0019]优选地，步骤(1)中高导热碳纤维、酚醛树脂和聚丙烯酰胺分散于水中时，在搅拌状态下进行，所述搅拌的转速为500～800r/min，例如可以是500r/min、600r/min、700r/min或800r/min等，搅拌时间为20～40min，例如可以是20min、30min、40min等。高导热碳纤维、酚醛树脂和聚丙烯酰胺三种物质在加入到水中时，都在搅拌状态下进行。
[0020]步骤(2)中，将分散液I和分散液II分别均分为若干份，将每一份分散液I和每一份分散液II依次交替倒入模具中直至倒尽所有的分散液I和分散液II，每倒一份分散液I或分散液II，进行一次排水的步骤，例如可以是如下步骤：
[0021]将分散液I均分为3份，将分散液II均分为2份，先向模具中倒入1份分散液I，进行一次排水，然后再倒入分散液II，进行一次排水，接着倒入1份分散液I，进行一次排水，再倒入1份分散液II，进行一次排水，最后再倒入1份分散液I，进行排水，此时分散液I和分散液II均已倒尽，得到了多孔碳纤维骨架。
[0022]每一份分散液I或者分散液II，可以形成单层结构，在实际制备过程中，可以调节层间厚度、分散液I或分散液II的用量，进一步达到调节材料性能的目的，例如，可以控制分散液II的用量，使得该层中，高导热碳纤维的质量为0.4g。
[0023]优选地，步骤(2)中所述模具为圆柱形模具。模具的形状决定了定向导热隔热材料的形状，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种定向导热隔热材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：(1)将粘胶基碳纤维分散于水中，依次加入酚醛树脂和聚丙烯酰胺，得到分散液I；将高导热碳纤维分散于水中，依次加入酚醛树脂和聚丙烯酰胺，得到分散液II；(2)将分散液I和分散液II分别均分为若干份，将每一份分散液I和每一份分散液II依次交替倒入模具中直至倒尽所有的分散液I和分散液II，每倒一份分散液I或分散液II，进行一次排水，得到多孔碳纤维骨架，经固化后得到预成型体；(3)将步骤(2)得到的预成型体进行热处理得到所述定向导热隔热材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述粘胶基碳纤维、酚醛树脂和水的质量比为1:(0.5～1):(50～70)；优选地，步骤(1)中所述高导热碳纤维、酚醛树脂和水的质量比为1:2:(50～70)。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述粘胶基碳纤维的长度小于1mm；优选地，步骤(1)中所述高导热碳纤维的长度为1～10mm；优选地，步骤(1)中所述高导热碳纤维的导热系数为600～1000W/(m
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k)。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的制备方法，其特征在于：在步骤(1)所述分散液I中，聚丙烯酰胺的质量为粘胶基碳纤维质量的0.01％～0.1％；在步骤(1)所述分散液II中，聚丙烯酰胺的质量为高导热碳纤维质量的0.01％～0.1％。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐宝升，王晨琪，曲立杰，陈彦飞，方岱宁，杨亚政，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：