CN106947098A - 一种变梯度酚醛浸渍碳纤维烧蚀复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变梯度酚醛浸渍碳纤维烧蚀复合材料(PICA)的制备方法。本发明以经过表面处理的碳毡为增强材料，硼改性酚醛树脂为基体材料，采用分层制备法，制备两边密度小、中间密度大的变梯度PICA烧蚀材料。首先采用丙酮脱浆+气液双效法+偶联剂处理的方法对碳毡进行表面处理；然后将经过表面处理的碳毡浸入一定质量浓度的硼改性酚醛树脂的无水乙醇溶液中，采用真空压力浸渍工艺，制得一定厚度的PICA薄片；最后将制得的不同密度的PICA薄片分层叠加，放入马弗炉中固化成型，并通过一系列的性能表征对制备工艺参数进行优化，最终制得所需密度和梯度的变梯度PICA材料。

Description

一种变梯度酚醛浸渍碳纤维烧蚀复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种变梯度酚醛浸渍碳纤维烧蚀复合材料(PICA)的制备方法，尤其是用于航天载人飞行器表面的轻质热防护材料的制备。
背景技术
近年来我国航天事业飞速发展，特别是载人飞行器引起了科研人员的广泛关注，该类型飞行器长时间飞行、中低热流密度、中等焓值的服役特征对热防护材料及其结构提出了新的应用环境及要求，包括长时间防热、高效隔热、高承载能力、高可靠性等。载人飞行器再入时的热流随再入轨道的不同而不同，针对载人飞行器以第二宇宙速度再入时热流的特点，设计研制一种与之相匹配的变梯度烧蚀复合材料是非常必要的。本发明所涉及的此种变梯度烧蚀复合材料(PICA)的制备方法适用于各种不同密度梯度的PICA材料，从而为不同再入轨道的飞行器提供安全可靠的烧蚀热防护材料。
发明内容
本发明的变梯度酚醛浸渍碳纤维烧蚀复合材料(PICA)的制备方法，依次包括如下步骤：A：对碳毡进行表面处理；B：将经过表面处理的碳毡浸入一定浓度的硼改性酚醛树脂的无水乙醇溶液中，采用真空压力浸渍工艺，制得一定厚度的PICA薄片；C：将制得的不同密度的PICA薄片分层叠加，放入马弗炉中固化成型，制得所需密度和梯度的变梯度PICA材料。
商品碳纤维在出厂时表面通常涂有一层上浆剂，这层上浆剂在碳纤维成型时起到保护碳纤维的作用，但该上浆剂对纤维的浸润性能会产生影响，因此需要对碳纤维进行预处理(除胶处理)，即除去附在碳纤维表面的有机杂质和污染物。另外，从化学角度分析，碳纤维表面可能含有一种或多种官能团。例如，在未处理碳纤维表面上可能存在低浓度的羧基和羟基及其它官能团(包括羰基和内酯基基团)。经过表面处理后，碳纤维表面含氧官能团浓度增加，碳纤维表面的极性含氧官能团能够与极性水分子缔合形成氢键，氢键的形成及分子之间的范德华力，可以增大碳纤维的亲水性和浸润性，提高碳纤维与酚醛树脂的粘结强度，从而提高碳纤维复合材料的界面性能和烧蚀性能。
本发明选用的碳毡采用短切碳纤维加工而成，且碳纤维为面内随机分布排列，采用丙酮脱浆+气液双效法+偶联剂处理的方法对碳纤维进行表面处理。具体步骤为：A：用丙酮对碳毡进行除胶处理；B：运用气液双效法即空气氧化+酸氧化，对碳纤维进行氧化刻蚀处理；C：用硅烷偶联剂KH550进行处理，进一步提高碳纤维的浸润性，提高碳纤维与酚醛树脂的结合力，改善PICA复合材料的力学性能。
本发明选用的酚醛树脂为硼改性酚醛树脂。硼改性酚醛树脂具有优良的瞬时耐高温性能和力学性能，是优良的耐烧蚀材料。需要说明的是，针对不同的应用环境，也可选用其他的改性酚醛树脂，如钼改性酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂等。
在真空压力浸渍过程中，采用真空泵将密闭容器中的空气抽空，利用压力差促进树脂的浸渍，通过改变浸渍剂中酚醛树脂的质量浓度来控制复合材料中酚醛树脂的质量比例，从而控制各PICA薄片的密度，制得所需密度和梯度的变梯度PICA材料。
附图说明
图1为飞行器再入时气动加热的热流密度随高度变化示意图。
图2为本发明的变梯度PICA材料结构示意图。
图3为本发明的制备工艺流程图。
具体实施方式
如图1所示，飞行器再入时的热流密度是急剧变化的，根据飞行器再入时热流密度由小变大再变小的规律，制备一种两边密度小、中间密度大的变梯度PICA烧蚀复合材料。
首先对碳纤维进行表面处理，具体步骤如下：
(1)碳纤维除胶处理：将碳纤维浸泡在丙酮溶液中24h，随后超声处理20min，将处理后的碳纤维放入真空鼓风干燥箱80℃烘干至恒定重量；
(2)空气氧化处理：将除胶处理后的碳纤维放入箱式电阻炉中进行空气氧化处理，处理温度为350℃，处理时间为1h；然后放入肥皂水中超声清洗10min，去除氧化残留物；再用蒸馏水超声清洗20min，最后放入鼓风干燥箱中80℃烘干至恒重；
(3)酸氧化处理：将碳纤维放入浓硝酸(分析纯，浓度为65％)中进行酸氧化处理，处理温度为50℃，处理时间为4h；然后放入蒸馏水中超声清洗20min，使其呈中性，最后放入鼓风干燥箱中80℃烘干至恒重；
(4)偶联剂处理：配制质量分数为3％的硅烷偶联剂(KH550)无水乙醇溶液，并将碳纤维放入其中，浸泡20min，然后放入鼓风干燥箱中80℃烘干至恒重。
然后以经过表面处理的碳毡为原料，采用分层制备法，通过控制浸渍剂的浓度，制备出一种两边密度小、中间密度大的变梯度酚醛树脂浸渍碳纤维烧蚀复合材料，其结构示意图如图2所示，具体步骤如下：
(1)浸渍剂配制：将硼改性酚醛树脂加入无水乙醇中，配成质量浓度分别为10％、15％、20％的浸渍剂备用；
(2)真空浸渍：利用模具将碳毡浸没到酚醛树脂溶液中，将模具放入真空鼓风干燥箱，然后利用真空泵逐渐抽出干燥箱中的空气，常温下浸渍12h；
(3)干燥：将浸渍好的碳毡放入鼓风干燥箱中，并在其表面施加一定的压力，80℃下干燥一段时间，具体时间不等，以浸渍好的碳毡不再有溶液滴下为准；
(4)分层叠加：利用1～3步制得的不同密度的层片，按如图2所示的两边密度小、中间密度大的方式叠加在一起，放入鼓风干燥箱，并在其表面施加一定的压力，80℃下干燥10h；
(5)固化：将干燥好的浸渍体放入马弗炉中，同样在其表面施加一定的压力，150℃下固化1h，180℃下固化3h，随炉自然冷却至室温得到变梯度PICA烧蚀复合材料。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员应该理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的申请和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施示例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种变梯度酚醛浸渍碳纤维烧蚀复合材料的制备方法，依次包括如下步骤：A：对碳毡进行表面处理；B：将经过表面处理的碳毡浸入一定浓度的硼改性酚醛树脂的无水乙醇溶液中，采用真空压力浸渍工艺，制得一定厚度的PICA薄片；C：将制得的不同密度的PICA薄片分层叠加，放入马弗炉中固化成型，制得所需密度和梯度的变梯度PICA复合材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的碳毡采用短切碳纤维加工而成，且碳纤维为面内随机分布排列。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的对碳毡进行表面处理即为对组成碳毡的碳纤维进行表面处理，碳纤维表面处理采用丙酮脱浆+气液双效法+偶联剂处理的方法进行，包括如下步骤：A：用丙酮对碳纤维进行除胶处理；B：运用气液双效法即空气氧化+酸氧化，对碳纤维进行氧化刻蚀处理；C：用硅烷偶联剂KH550进行处理，进一步提高碳纤维的浸润性，提高碳纤维与酚醛树脂的结合力，改善PICA复合材料的力学性能。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在真空压力浸渍过程中，采用真空泵将密闭容器中的空气抽空，利用压力差促进酚醛树脂的浸渍，通过改变浸渍剂中酚醛树脂的质量浓度来控制复合材料中酚醛树脂的质量比例，从而控制各PICA薄片的密度，制得所需密度和梯度的变梯度PICA复合材料。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在真空压力浸渍过程中，采用真空泵将密闭容器中的空气抽空，利用压力差促进酚醛树脂的浸渍，通过改变浸渍剂中酚醛树脂的质量浓度来控制复合材料中酚醛树脂的质量比例，从而控制各PICA薄片的密度，制得所需密度和梯度的变梯度PICA复合材料。
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