本发明专利技术公开了一种轻质防隔热一体化热防护材料碳纤维增强体及其制备方法，包括(1)采用碳纤维，高残碳有机纤维，或碳纤维/高残碳有机纤维混杂纤维制备纤维布和低密度网胎；(2)将纤维布进行叠层，或将纤维布和低密度网胎进行共同叠层后，形成承载区；(3)将纤维布和低密度网胎进行共同叠层后形成的叠层体铺放于承载区表面，形成与承载区连接的过渡区；(4)将低密度网胎进行叠层后形成的叠层体铺放于在过渡区表面，形成与过渡区连接的隔热区；承载区、过渡区和隔热区组成本发明专利技术增强体。本发明专利技术同时兼顾了隔热区的隔热性能和承载区的力学性能，各功能区之间材料及性能连续，有效提高了材料的综合性能，特别用于实现大尺寸异形构件的制造。造。
【技术实现步骤摘要】
轻质防隔热一体化热防护材料碳纤维增强体及其制备方法
[0001]本专利技术属于航天热防护系统用无机多功能材料
，特别涉及一种轻质防隔热一体化热防护材料碳纤维增强体及其制备方法。
技术介绍
[0002]可重复使用航天飞行器对耐高温的轻质防隔热一体化热防护材料提出了越来越明确的需求，传统的陶瓷纤维增强热防护材料由于耐温低而无法在超过1500℃的场合应用，以碳纤维为增强体的轻质防隔热一体化热防护材料(CN201710312315.3和CN201810684577.7)得到了发展，在这类新型轻质耐高温热防护材料中，碳纤维增强体采用了分区功能化，即碳纤维含量在厚度方向上不是均匀分布的，在底层隔热区采用了低体积含量的碳纤维多孔体，表层承载区采用了高体积含量的碳纤维多孔体，两功能区之间为体积含量梯度过渡的碳纤维多孔体过渡区，各功能区之间通过针刺方法在厚度方向上形成层间连接的碳纤维，实现碳纤维增强体的一体化。分区功能一体化的碳纤维增强体为耐1500℃以上的轻质防隔热一体化热防护材料的应用提供了有效的增强体，可以实现2000℃以上的防隔热服役。
[0003]现有技术的轻质防隔热一体化热防护材料采用全碳纤维增强体，即各个功能区中的纤维均全部采用碳纤维，包括碳布、网胎等。碳纤维的特点是高温稳定性好，但工艺性差，隔热效果差。在采用针刺工艺方法实现厚度方向上的纤维增强时，碳纤维容易发生断裂而很难实现较低体积密度(小于0.15g/cm3)和较高体积密度(大于1.0g/cm3)功能区增强体的制备，并且获得的体积密度在0.10～1.0g/cm3范围内的碳纤维增强体的层间结合也较弱，在形成异形结构的材料时容易发生层间破坏。热防护材料的性能与碳纤维增强体的体积密度、层间结合强度等密切相关：碳纤维增强体体积密度越低，材料的隔热性能就越高；体积密度越高，材料的承载性能就越高；层间性能越高，材料的一体化性能就越好，材料的可重复使用性能就越好，越容易实现异形构件的制造。因此，降低隔热区的碳纤维体积密度、提高承载区的碳纤维体积密度、强化各功能区内部和之间的结合性能，是提升分区功能的轻质防隔热一体化热防护材料综合性能、实现大尺寸异形构件制造的关键，而目前的技术无法达到这些目的，需要采用新的技术方法进行突破。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于克服上述缺陷，提供一种轻质防隔热一体化热防护材料碳纤维增强体及其制备方法，本专利技术承载区、过渡区和隔热区的体积密度依次减小，承载区、过渡区和隔热区组成本专利技术轻质防隔热一体化热防护材料碳纤维增强体。本专利技术以碳纤维和有机纤维为原料，同时兼顾了隔热区的隔热性能和承载区的力学性能，各功能区之间材料及性能连续，有效提高了材料的综合性能，特别用于实现大尺寸异形构件的制造。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种轻质防隔热一体化热防护材料碳纤维增强体的制备方法，包括如下步骤：
[0007](1)采用碳纤维，高残碳有机纤维，或碳纤维/高残碳有机纤维混杂纤维制备纤维布和低密度网胎；所述高残碳有机纤维的残碳率不低于40％；所述低密度网胎为密度在0.05～0.2g/cm3范围内的纤维毡体；
[0008](2)将纤维布进行叠层，或将纤维布和低密度网胎进行共同叠层后，通过针刺工艺形成承载区；
[0009](3)将纤维布和低密度网胎进行共同叠层后形成的叠层体铺放于承载区表面，通过针刺工艺形成与承载区连接的过渡区；或使纤维布和低密度网胎在承载区表面进行叠层，通过针刺工艺形成与承载区连接的过渡区；
[0010](4)将低密度网胎进行叠层后形成的叠层体铺放于在过渡区表面，通过针刺工艺形成与过渡区连接的隔热区；或使低密度网胎在过渡区表面进行叠层，通过针刺工艺形成与过渡区连接的隔热区；
[0011]所述承载区、过渡区和隔热区的体积密度依次减小，承载区、过渡区和隔热区组成轻质防隔热一体化热防护材料碳纤维增强体。
[0012]进一步的，所述步骤(1)中，碳纤维为聚丙烯腈级碳纤维，沥青基碳纤维或黏胶基碳纤维中的一种或一种以上组合；高残碳有机纤维为1000℃～2000℃高温热处理后仍保持连续的有机纤维；高残碳有机纤维为碳纤维的原丝或预氧丝；碳纤维/高残碳有机纤维混杂纤维为体积比为1：1.2～0.1的碳纤维与高残碳有机纤维混合物；
[0013]所述步骤(1)中，纤维布为无维布，单向布，展宽布，平纹布或锻纹布中的一种或一种以上组合。
[0014]进一步的，所述步骤(2)中，当将纤维布和低密度网胎进行共同叠层时，低密度网胎的体积含量不超过纤维布和低密度网胎总体积的40％。
[0015]进一步的，所述步骤(2)中的纤维布为碳纤维/高残碳有机纤维混杂纤维布，或为碳纤维布和高残碳有机纤维布的组合；
[0016]当采用碳纤维布和高残碳有机纤维布的组合进行叠层，或将碳纤维布和高残碳有机纤维布的组合与低密度网胎进行共同叠层时，碳纤维布和高残碳有机纤维布采用交替叠层方式。
[0017]进一步的，所述步骤(2)形成的承载区中碳纤维和高残碳有机纤维的体积比为1：1.2～0.1；
[0018]所述步骤(2)形成的承载区的体积密度为1.3～0.6g/cm3，厚度为2～10mm。
[0019]进一步的，所述步骤(3)中的纤维布为碳纤维布或碳纤维/高残碳有机纤维混杂纤维布；所述步骤(3)中的低密度网胎为碳纤维低密度网胎，碳纤维/高残碳有机纤维混杂纤维低密度网胎，或碳纤维低密度网胎和高残碳有机纤维低密度网胎的组合。
[0020]进一步的，所述步骤(3)中过渡区中碳纤维和高残碳有机纤维的体积比为1：1.5～0，过渡区的体积密度为0.8～0.2g/cm3，过渡区的厚度为1～4mm；
[0021]所述过渡区的碳纤维和高残碳有机纤维的体积比，以及体积密度由靠近承载区一侧至靠近隔热区一侧由大到小梯度过渡。
[0022]进一步的，所述步骤(4)中低密度网胎为碳纤维/高残碳有机纤维混杂纤维低密度网胎，或为碳纤维低密度网胎和高残碳有机纤维低密度网胎的组合，或为碳纤维低密度网胎和碳纤维/高残碳有机纤维混杂纤维低密度网胎的组合。
[0023]进一步的，所述步骤(4)所形成的隔热区中，碳纤维和高残碳有机纤维的体积比为1：1.5～0.1，隔热区的体积密度为0.3～0.05g/cm3，隔热区的厚度为20～50mm。
[0024]一种轻质防隔热一体化热防护材料碳纤维增强体，采用上述一种轻质防隔热一体化热防护材料碳纤维增强体的制备方法得到。
[0025]本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：
[0026](1)本专利技术创新性的采用碳纤维和高残碳有机纤维混杂体针刺形成功能分区一体化的纤维增强预制体，有机纤维具有良好的勾结性能，针刺过程中有机纤维不易断裂，可在层间实现较多的纤维增强，实现增强体厚度方向上更为优异的结合性能，进而为大尺寸异形构件的无层裂制造提供了条件，同时，碳纤维的存在避免增强体在高温下处理时有机纤维过度收缩造成变形，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种轻质防隔热一体化热防护材料碳纤维增强体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)采用碳纤维，高残碳有机纤维，或碳纤维/高残碳有机纤维混杂纤维制备纤维布和低密度网胎；所述高残碳有机纤维的残碳率不低于40％；所述低密度网胎为密度在0.05～0.2g/cm3范围内的纤维毡体；(2)将纤维布进行叠层，或将纤维布和低密度网胎进行共同叠层后，通过针刺工艺形成承载区；(3)将纤维布和低密度网胎进行共同叠层后形成的叠层体铺放于承载区表面，通过针刺工艺形成与承载区连接的过渡区；或使纤维布和低密度网胎在承载区表面进行叠层，通过针刺工艺形成与承载区连接的过渡区；(4)将低密度网胎进行叠层后形成的叠层体铺放于在过渡区表面，通过针刺工艺形成与过渡区连接的隔热区；或使低密度网胎在过渡区表面进行叠层，通过针刺工艺形成与过渡区连接的隔热区；所述承载区、过渡区和隔热区的体积密度依次减小，承载区、过渡区和隔热区组成轻质防隔热一体化热防护材料碳纤维增强体。2.根据权利要求1所述的一种轻质防隔热一体化热防护材料碳纤维增强体的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，碳纤维为聚丙烯腈级碳纤维，沥青基碳纤维或黏胶基碳纤维中的一种或一种以上组合；高残碳有机纤维为1000℃～2000℃高温热处理后仍保持连续的有机纤维；高残碳有机纤维为碳纤维的原丝或预氧丝；碳纤维/高残碳有机纤维混杂纤维为体积比为1：1.2～0.1的碳纤维与高残碳有机纤维混合物；所述步骤(1)中，纤维布为无维布，单向布，展宽布，平纹布或锻纹布中的一种或一种以上组合。3.根据权利要求1所述的一种轻质防隔热一体化热防护材料碳纤维增强体的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，当将纤维布和低密度网胎进行共同叠层时，低密度网胎的体积含量不超过纤维布和低密度网胎总体积的40％。4.根据权利要求1所述的一种轻质防隔热一体化热防护材料碳纤维增强体的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的纤维布为碳纤维/高残碳有机纤维混杂纤维布，或为碳纤维布和高残碳有机纤维布的组合；当采用碳纤维布和高残碳有机纤维布的组合进行...
【专利技术属性】
技术研发人员：李同起，张莹，刘宇峰，刘风亮，王金明，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，
类型：发明
国别省市：
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