[發明專利]一種具有低導熱系數的泡沫碳基復合材料

在審

• 申請號: 201710604455.8
• 申請日: 2017-07-24
• 公開（公告）號: CN107200600A
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發明（設計）人: 余盛杰;其他發明人請求不公開姓名
• 申請（專利權）人: 蘇州宏久航空防熱材料科技有限公司
• 主分類號: C04B38/06
• 分類號: C04B38/06;C04B38/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種泡沫碳基復合材料，特別涉及一種具有低導熱系數的泡沫碳基復合材料。

背景技術

隨著航天飛行器和導彈的發展，新型高超聲速飛行器在稠密大氣層長時巡航或再入過程中會遭受嚴重的氣動加熱。為防止高速飛行器長時間飛行時的氣動加熱對內部結構和儀器的熱損壞，這類飛行器需要耐高溫、高效、輕質的熱防護系統。但是現有的有機隔熱材料使用溫度不高，而用于高溫隔熱的無機纖維隔熱材料的隔熱效果受到生產工藝的限制難以進一步的提高，特別是在高溫環境下其導熱系數相對室溫環境大幅度增加。因此，傳統隔熱材料往往需要通過增加尺寸來提高隔熱效果。而隔熱材料的加厚則使飛行器的重量和使用成本大幅度增加，性能大幅降低。因此，尋求一種新型耐高溫、輕質、高效的隔熱材料是未來導彈、航天飛行器等表面熱防護技術設計所追求的目標。

泡沫碳依據其孔壁的材質，可以分為石墨化和非石墨化泡沫碳。非石墨化泡沫碳也成為網狀玻璃態泡沫碳（Reticulated Vitreous Carbon Foam），是一種碳素骨架和相互連通的孔腔組成的具有三維網狀結構的輕質多孔材料，碳原子之間以一定的成鍵方式相互連接，密度約為0.05~0.1g/cm³。非石墨化泡沫碳具有密度低、熱性能優異、尺寸穩定性好、抗熱沖擊性等優點，既是一種極具潛力的隔熱材料，又是一種高性能的結構材料。為此，可以探索一種復合工藝把泡沫碳與其他隔熱材料有機結合，盡可能降低熱傳導系數、提高材料的強度，形成一種性能更優越的復合型隔熱材料。具有納米孔結構的氣凝膠是最具潛力的一類隔熱材料。氣凝膠是以納米粒子或高聚物分子相互聚結組成的多孔固體材料，具有密度低、熱導系數小、耐熱性高等特點，是目前所有固體材料中熱導率最低的材料，在隔熱方面具有廣泛的應用前景。氣凝膠雖然導熱系數極低，但力學性能差、脆性大、易碎，故不能直接作為隔熱材料。因此，氣凝膠需要隔熱性能優異的材料作為載體骨架，才能穩定使用。

申請號為201410157562.7的中國發明專利公開了一種彈性碳泡沫氧氣還原催化劑及其制備方法，其特征在于該彈性碳泡沫氧氣還原劑是在含微量氧條件下，直接高溫碳化三聚氰胺泡沫材料制備而成，通過該方法制備的彈性碳泡沫具有自支撐的三維網絡結構、良好的回彈性，優異的氧氣還原催化性能，并且其氧氣還原性能和彈性可以通過調節微氧的濃度來調控。該專利是采用三聚氰胺泡沫熱解得到碳泡沫應用于氧氣還原催化劑載體，與本專利應用應用領域不相同，因此制備工藝以及材料結構存在較大的差異。

申請號為201410391902.2的中國發明專利公開了一種填充SiO₂氣凝膠的碳氣凝膠的制備方法，其特征在于包括下述順序的步驟 ：（1）碳氣凝膠的制備：以間苯二酚 (R) 和甲醛 (F) 為前驅體（摩爾比 R：F＝1：2），無水碳酸鈉為催化劑，碳泡沫骨架，制備以碳泡沫為基的碳氣凝膠。（2）碳氣凝膠表面酸處理 ：將 H₂O₂：NH ₃H₂O：H₂O 按照1：1：5 的體積比例配成混合溶液，將上述碳氣凝膠浸入該混合溶液中，在 90℃的水浴條件下保持 1h。（3）SiO₂前驅體溶液制備及碳氣凝膠浸入前驅體溶液老化、干燥得到填充二氧化硅氣凝膠的碳氣凝膠。 該制備方法可靠，安全性能好，制得的復合氣凝膠既保持了氣凝膠的有益性能，又增強了氣凝膠的力學性能 ；復合凝膠表面疏水，不易吸收空氣中的水分，收縮性小。該專利提出了一種碳泡沫-氣凝膠復合結構的制備方法，但對于碳泡沫材料具體性質并沒有解釋，而碳泡沫基材的優劣對該復合材料的力學性能起決定性作用。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，旨在提供一種具有低導熱系數的泡沫碳基復合材料，其特征在于，所述的泡沫碳基復合材料包括基材泡沫碳骨架，氣凝膠填充體，氣凝膠在泡沫碳骨架上原位生成，泡沫碳體積分數為60%~80%，氣凝膠體積分數為20%~40%；表觀密度為0.1~0.5g/cm³，室溫導熱系數為0.02~0.025W/m·K。

所述的泡沫碳基復合材料，其特征在于所述的泡沫碳是由三聚氰胺泡沫在高溫熱解形成，柔韌性優異，表觀密度為0.006~0.01 g/cm³，室溫導熱系數0.025~0.035 W/m·K。