一种轻量化耐烧蚀防隔热材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种轻量化耐烧蚀防隔热材料及制备方法，该材料至少包括彼此错落分布的通过在降低树脂基底粘度的条件下加入空心填料而形成的第一孔隙与通过在第一高温条件下迫使部分组分的形态转变而形成的第二孔隙，以及至少部分不定向地分布在第一与第二孔隙中的短切纤维。本发明专利技术从与现有解决方案完全相反的设计思路出发而选用了适量的高沸点溶剂与空心填料一起加入到体系中，并通过设计体系的混合与固化工艺，使得在体系中协同发挥出了空心填料与由高沸点溶剂形成的微纳孔洞的隔热双重作用，实现了对热传导通道的更加充分的阻断。并且在高温条件下，依靠于空心填料与纤维的刚性骨架之间的协同作用，强化了树脂基体炭化后形成的炭层结构。化后形成的炭层结构。化后形成的炭层结构。

【技术实现步骤摘要】
一种轻量化耐烧蚀防隔热材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及热防护材料
，尤其涉及一种轻量化耐烧蚀防隔热材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]树脂基烧蚀材料作为一种固体防热材料，主要用于导弹弹体、航天器再入舱外表面和火箭发动机内表面等。这种材料在热流作用下能发生分解、熔化、汽化、升华、侵蚀等物理和化学变化，借助材料表面的质量损失消耗大量热量，以达到保护飞行器内部的作用。所谓烧蚀，也就是导弹和飞行器再入大气层时在热流作用下，由热化学和机械过程引起的固体表面的质量迁移(材料消耗)现象。酚醛树脂作为一种高交联密度的热固性树脂材料，在300℃以上开始分解，随着分解温度的提高，逐渐碳化形成碳化层，碳化层强度高且耐热性强，适应于高温、高压、高速气流冲刷等极端恶劣的环境，因此酚醛树脂基复合材料广泛用作航天器烧蚀材料。在耐烧蚀领域，酚醛树脂是使用最早，并且目前仍在大量使用的烧蚀复合材料基体，以其成本低、耐热性和力学性能好的优势，酚醛树脂在热防护领域具有不可替代的地位。在发动机工作时间短的情况下，酚醛树脂的各项性能能够满足性能要求并且成本较低，因此在今后酚醛树脂仍然是这类发动机热防护材料的首选树脂基体。
[0003]随着技术的发展，传统的酚醛树脂已经不能满足轻量化、高效隔热等方面的需求。为了提高树脂基热防护材料的隔热性能，通常是以酚醛树脂作为基体结构，通过向树脂基体中添加空心或多孔微球的方法以降低材料密度，提升材料整体隔热性能。上述方法虽然已成为目前较为成熟的烧蚀材料轻量化制备方法，在大量的专利与文献中也均有报道。
[0004]现有技术中如公开号为CN111574808A的专利文件提出了一种轻质隔热复合材料及其制备方法，该复合材料包括：酚醛树脂100份；混纺纤维12～100份；其中，酚醛树脂中挥发份的含量为5～10份；该复合材料的原料还包括轻质填料，选自玻璃空心微球、酚醛空心微球中的一种或多种；基于100质量份的酚醛树脂，轻质填料的用量为3～30质量份。混纺纤维通过无机纤维和有机纤维混纺后短切而成。通过以下方式制备：采用连续的无机纤维和有机纤维混纺制备混纺纤维，然后将连续混纺纤维加捻后短切为设定长度的短切混纺纤维；将酚醛树脂与短切混纺纤维进行均匀混合、分散、干燥，制备轻质混纺纤维预浸料；采用模压成型工艺，将预浸料均匀装入热压模具中，在80～100℃加压3～10MPa定型，固化温度130～180℃，固化时间3～7h，制备得到复合材料。本专利技术制备的轻质隔热复合材料密度小，具有良好的力学性能、隔热性能与耐温性能，适用于防隔热系统。
[0005]现有技术中公开号为CN108517102B的专利文件提出了一种轻质防隔热复合材料及其制备方法，该复合材料包括轻质纤维、酚醛树脂和轻质填充粒子；以所述的复合材料的总质量为100％计算，其中轻质纤维的质量百分含量为10％～40％，酚醛树脂的质量百分含量为53％～85％，轻质填充粒子质量百分含量为2％～10％；制备方法，该方法的步骤包括：(1)将有机纤维和无机纤维进行加捻混纺工艺复合，得到轻质纤维，混纺时纤维股数4～30股；(2)将步骤(1)得到的复合后的轻质纤维短切得到短切轻质纤维，短切轻质纤维的密度
为1.5～1.85g/cm3，短切轻质纤维的长度为6～60mm；(3)将轻质填充粒子与酚醛树脂溶液进行均匀混合，得到混合物；(4)将步骤(2)得到的短切轻质纤维与步骤(3)得到的混合物进行均匀混合、分散、干燥后得到轻质预浸料，所得到的轻质预浸料中挥发份的质量含量为2％
‑
15％；(5)采用模压、等静压或铺层工艺，将步骤(4)得到的轻质预浸料均匀装入模具中进行固化，固化结束后得到轻质防隔热复合材料，得到轻质防隔热复合材料的密度为0.9～1.3g/cm3，热导率0.2～0.4W/(m.K)；固化程序为：首先在80～100℃加压1.5～10MPa，然后升温至130～180℃，保温时间3～7h。所述的酚醛树脂为镁酚醛、钡酚醛、氨酚醛、硼酚醛的一种或两种以上的混合；所述的轻质填充粒子为空心玻璃微球、酚醛空心小球的一种或两种的混合。
[0006]然而此类技术方案存在至少一个以下问题尚未解决：1)降密度作用有限，根据不同种类的微球，当填料量达到一定工艺上限时，进一步增加填料会导致填料团聚富集，影响整体工艺性与均匀性；2)降导热作用有限，微球多为陶瓷或者玻璃填料，本身导热基数高，另外由于尺寸受限，无法形成隔热效果更好的微纳孔洞，隔热效果不理想；3)轻质填料的填充工艺要求低粘度的树脂基体，故而常规轻质烧蚀材料能用于热熔法预浸料体系，却难以匹配短切纤维预混料体系。
[0007]此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本专利技术时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本专利技术不具备这些现有技术的特征，相反本专利技术已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在
技术介绍
中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于克服现有技术不足，提供一种能大幅降低材料密度，提高材料隔热性能，同时可兼顾耐烧蚀及防热性能的轻量化耐烧蚀防隔热材料及其制备方法。
[0009]本专利技术提出的一种轻量化耐烧蚀防隔热材料，至少包括彼此错落分布的通过在降低树脂基底粘度的条件下加入空心填料而形成的第一孔隙与通过在第一高温条件下迫使部分组分的形态转变而形成的第二孔隙，以及至少部分不定向地分布在第一与第二孔隙中的短切纤维。第一孔隙指的是空心填料中本身就形成的孔隙，第二孔隙指的是部分组分在高温条件下从固态或也太转变为气态而形成的孔隙。短切纤维的不定向地分布指的是大量短切纤维在成型后得到的轻量化耐烧蚀防隔热材料中相对姿态不同。错落分布指的是包括一定量的第一孔隙的分布区域与包括一定量的第二孔隙的分布区域相重合。
[0010]根据一种优选实施方式，所述轻量化耐烧蚀防隔热材料中包括通过加入可在第一高温条件下从树脂基底中被迫转变形态的部分组分来降低树脂基底粘度的方式嵌于树脂基底和/或短切纤维中的空心填料。转变形态主要指的是由液态或固态转变至气态。
[0011]根据一种优选实施方式，所述轻量化耐烧蚀防隔热材料中的短切纤维以及空心填料均具有能够在第二高温条件下发生熔融而共同形成用于补强至少部分树脂基底在第二高温条件下发生炭化而形成的具有第三孔隙的炭化层的熔融态。补强指的是在第二高温条件下发生熔融而共同形成的熔融态可流动地填充至树脂基底在第二高温条件下发生炭化而形成的炭化层中的第三孔隙。
[0012]本申请提出的一种轻量化耐烧蚀防隔热材料，至少包括高残碳酚醛树脂、空心填
料、高沸点溶剂和短切纤维中的一个或几个组份，其中，通过在制备该材料时高沸点溶剂对树脂基底粘度的影响以及被迫的转变形态，使得短切纤维至少部分不定向地分布在第一与第二孔隙中。
[0013]根据一种优选实施方式，所述轻量化耐烧蚀防隔热材料中的高残碳酚醛树脂与短切纤维的组份质量份数相同。
[0014]根据一种优选实施方式，所述轻量化耐烧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轻量化耐烧蚀防隔热材料，其特征在于，至少包括彼此错落分布的通过在降低树脂基底粘度的条件下加入空心填料而形成的第一孔隙与通过在第一高温条件下迫使部分组分的形态转变而形成的第二孔隙，以及至少部分不定向地分布在第一与第二孔隙中的短切纤维。2.根据权利要求1所述的轻量化耐烧蚀防隔热材料，其特征在于，所述轻量化耐烧蚀防隔热材料中包括通过加入可在第一高温条件下从树脂基底中被迫转变形态的部分组分来降低树脂基底粘度的方式嵌于树脂基底和/或短切纤维中的空心填料。3.根据权利要求1或2所述的轻量化耐烧蚀防隔热材料，其特征在于，所述轻量化耐烧蚀防隔热材料中的短切纤维以及空心填料均具有能够在第二高温条件下发生熔融而共同形成用于补强至少部分树脂基底在第二高温条件下发生炭化而形成的具有第三孔隙的炭化层的熔融态。4.一种轻量化耐烧蚀防隔热材料，其特征在于，至少包括高残碳酚醛树脂、空心填料、高沸点溶剂和短切纤维中的一个或几个组份，其中，通过在制备该材料时高沸点溶剂对树脂基底粘度的影响以及被迫的转变形态，使得短切纤维至少部分不定向地分布在第一与第二孔隙中。5.根据权利要求4所述的轻量化耐烧蚀防隔热材料，其特征在于，所述轻量化耐烧蚀防隔热材料中的高残碳酚醛树脂与...

【专利技术属性】
技术研发人员：许孔力，夏雨，李峥，许学伟，谢永旺，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：