一种兼具低吸收比和高发射率的轻质高强复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种兼具低吸收比和高发射率的轻质高强复合材料，所述复合材料由包含树脂基体和掺杂在所述树脂基体中的中空微球的原料经固化后得到；所述复合材料中，中空微球掺杂在树脂基体中；其中，所述中空微球为三壳层中空微球，壳层由内之外依次为硅酸盐玻璃层、二氧化硅层和二氧化钛层。该复合材料兼具低吸收比和高发射率的特点，克服了具有泡孔结构的传统轻量化聚合物材料强度低、热功能性不足等缺点。本发明专利技术还公开了该轻质高强复合材料的制备方法。备方法。备方法。

【技术实现步骤摘要】
一种兼具低吸收比和高发射率的轻质高强复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料
更具体地，涉及一种兼具低吸收比和高发射率的轻质高强复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]社会的发展和科技的进步，人们对各种设备的轻量化产生了越来越高的要求。所谓一代材料一代装备，为实现装备的轻量化，其中重要的一环是实现关键材料的轻量化。通常而言，材料的轻量化可通过两大类方法来实现。一是对材料进行轻量化结构设计，通过设计新型轻质材料(如聚合物和轻质合金材料)，并结合空腔或泡孔结构引入的引入降低密度。但通过材料本身的分子和原子结构设计降低密度的调控幅度有限，且囿于分子和原子特性，材料自身密度降低存在明显的天花板。而通过空腔或泡孔结构虽可降低密度，但一定程度上会带来材料力学强度的降低，影响其适用领域和使用效果。材料轻量化的另一大类方法是对材料进行结构
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功能一体化设计，同步实现材料的结构支撑和功能性。这类方法可有效避免结构和功能材料的分项独立设计和组合，既简化了实施流程，又减少了材料的用量，并从而降低了材料和设备的重量。
[0003]鉴于以上分析，通过向聚合物基体中引入空腔，并进行材料的功能
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结构一体化设计是实现复合材料轻量化的有效途径。考虑到普通的空腔和泡孔结构在降低密度的同时会大幅降低材料的机械强度，不利于应用，尤其是在对轻量化、功能性和承载性都有要求的领域。针对这一问题，通过封闭的中空微球引入空腔结构是一种有效的办法。除通过内部的中空内核提供空腔以降低密度外，中空微球的球壳材料的存在还可以对以中空微球为填料的轻量化复合材料提供力学补强，避免机械强度的大幅下降。更为重要的是，通过适当的中空微球球壳组成和结构设计，还可以赋予中空微球及其复合材料可控的功能性，实现低密度、高强度和功能性的统一。以热控复合材料为例，为实现对外热流的有效阻隔，同时避免材料本身温度的过度升高导致的力学强度下降，需要材料具备低导热系数、低太阳吸收比和较高的红外发射率。这就要求在保持复合材料力学强度满足应用需求的前提下进行热功能性设计。然而，尽管中空微球在轻量化热控复合材料领域拥有巨大的应用潜力，但目前对于中空微球强度和功能性的协同调控方面关注较少。仍需找到合适的中空微球球壳设计和合成方法，以提升中空微球热控复合材料的力学和热学综合性能。

技术实现思路

[0004]基于以上问题，本专利技术的第一个目的在于提供一种兼具低吸收比和高发射率的轻质高强复合材料，该复合材料具有低吸收比和高发射率等特点，克服了具有泡孔结构的传统轻量化聚合物材料强度低、热功能性不足等缺点。
[0005]本专利技术的第二个目的在于提供一种兼具低吸收比和高发射率的轻质高强复合材料的制备方法。
[0006]为达到上述第一个目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0007]一种兼具低吸收比和高发射率的轻质高强复合材料，所述复合材料由包含树脂基体和掺杂在所述树脂基体中的中空微球的原料经固化后得到；
[0008]所述复合材料中，中空微球掺杂在树脂基体中；
[0009]其中，所述中空微球为三壳层中空微球，壳层由内之外依次为硅酸盐玻璃层、二氧化硅层和二氧化钛层。
[0010]进一步地，所述复合材料中，中空微球的体积百分数为40
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80％，优选为45
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65％。
[0011]进一步地，所述中空微球的密度为0.2
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0.8g/cm3，粒径5
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100微米。
[0012]进一步地，所述中空微球中，硅酸盐玻璃层厚度为200
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1200纳米，二氧化硅层厚度为10
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50纳米，二氧化钛层厚度为50
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500纳米。
[0013]通过选择不同的中空微球球壳厚度，可以方便地调控所得中空微球的性能；进一步结合对中空微球在复合材料中的体积比例和树脂基体设计，可得到不同密度、机械性能和热性能的系列化复合材料。
[0014]进一步地，所述树脂基体选自固化前为可流动状态，或加溶剂稀释后呈可流动状态的树脂。选用的树脂基体为制备具备刚性支撑性能的复合材料的树脂基体。
[0015]进一步地，所述树脂基体选自环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、聚苯乙烯中的一种或几种。
[0016]进一步地，所述原料中，还包含助剂，
[0017]所述助剂中包含偶联剂，或
[0018]所述助剂中包含偶联剂和选自固化剂、促进剂、表面活性剂、稀释剂中的一种或几种。
[0019]进一步地，所述偶联剂的添加量为树脂基体含量的0.2
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2wt％。
[0020]进一步地，所述偶联剂包括但不限于选自KH550、KH560、KH570、KH590中的一种或几种。
[0021]具体地，上述固化剂、促进剂、表面活性剂、稀释剂的选择和用量本领域技术人员可根据实际情况选择。以环氧树脂为例，当树脂基体为环氧树脂时，所述固化剂包括但不限于为甲基四氢苯酐；所述促进剂包括但不限于为N,N
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二甲基苄胺；所述稀释剂包括但不限于为脂肪醇二缩水甘油醚(V22)。
[0022]进一步地，所述中空微球由包括如下步骤的方法制备得到：
[0023]将硅酸盐中空玻璃微球进行酸洗；
[0024]在酸洗后的硅酸盐中空玻璃微球表面包覆二氧化钛前驱体，得前驱体中空微球；
[0025]将所述前驱体中空微球于600
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700℃温度进行热处理，得所述中空微球。
[0026]上述中空微球的制备过程中，通过对硅酸盐中空玻璃微球进行酸洗，从而形成二氧化硅层。形成的二氧化硅层可进一步提升微球的机械强度。
[0027]进一步地，所述酸洗包括如下步骤：配制酸溶液，将经过漂选后的中空玻璃微球加入到酸溶液中，机械搅拌，然后再将中空微球过滤，除去酸液后，用蒸馏水清洗微珠至清洗后液体呈中性，再用无水乙醇冲洗中空微球，烘干后，筛分除去团聚颗粒，放入干燥器内待用。
[0028]进一步地，在酸洗前，还包括漂选的步骤，具体包括：将硅酸盐中空玻璃微球与乙
醇、水或者二者的混合液以体积比为1:1～1:10，混合搅匀，静置分层后取上层漂浮材料，过滤，若漂选液体是水或者水与乙醇的混合液，则在过滤过程中，用无水乙醇冲洗中空微球，随后烘干后待用。
[0029]进一步地，所述在硅酸盐中空玻璃微球表面包覆二氧化钛前驱体的方法包括如下步骤：
[0030]将硅酸盐中空玻璃微球与脲的水溶液混合，加热搅拌，再将Ti(SO4)2的水溶液加入到前述混合液中，保温并搅拌，待反应结束后，过滤、洗涤，干燥后，得前驱体中空微球。
[0031]进一步地，所述热处理在马弗炉中进行。
[0032]为达到上述第二个目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0033]如上第一个目的所述的轻质高强复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0034本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼具低吸收比和高发射率的轻质高强复合材料，其特征在于，所述复合材料由包含树脂基体和掺杂在所述树脂基体中的中空微球的原料经固化后得到；所述复合材料中，中空微球掺杂在树脂基体中；其中，所述中空微球为三壳层中空微球，壳层由内之外依次为硅酸盐玻璃层、二氧化硅层和二氧化钛层。2.根据权利要求1所述的轻质高强复合材料，其特征在于，所述中空微球的密度为0.2
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0.8g/cm3，粒径5
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100微米；所述中空微球中，硅酸盐玻璃层厚度为200
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1200纳米，二氧化硅层厚度为10
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50纳米，二氧化钛层厚度为50
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500纳米。3.根据权利要求1所述的轻质高强复合材料，其特征在于，所述复合材料中，中空微球的体积百分数为40
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80％，优选为45
‑
65％。4.根据权利要求1所述的轻质高强复合材料，其特征在于，所述树脂基体选自固化前为可流动状态，或加溶剂稀释后呈可流动状态的树脂；优选地，所述树脂基体选自环氧树脂、不饱和聚酯...

【专利技术属性】
技术研发人员：安振国，袁静，张敬杰，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：