[發明專利]耐燒蝕有機硅/環氧樹脂基碳纖維復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202011012756.X
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN112079992B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 陳洋;另友權;鄒華維
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: C08G59/14
• 分類號: C08G59/14;C08G59/50;C08J5/24;C08K7/06;C08L63/02
• 代理公司: 成都高遠知識產權代理事務所(普通合伙) 51222
• 代理人: 李高峽;張娟

本發明提供了一種耐燒蝕有機硅/環氧樹脂基碳纖維復合材料。本發明通過采用苯基有機硅與環氧樹脂共混，進而與碳纖維復合制備得到性質優良的有機硅/環氧樹脂基碳纖維復合材料。本發明還提供上述材料的制備方法及其用途。該復合材料具有良好的耐燒蝕性能，并且燒蝕后形成的炭層具有非常優良的力學強度和密度，在低成本耐燒蝕復合材料和結構燒蝕一體化領域具有非常好的應用前景，可以應用于制備航天飛行器殼體材料、臨近空間及大氣層內高速飛行器、飛船、返回式衛星等航天航空設備的燒蝕防熱結構及民用領域。

技術領域

本發明屬于復合材料領域，具體涉及一種耐燒蝕有機硅/環氧樹脂共混樹脂基碳纖維復合材料及其制備方法。

背景技術

航天器、臨近空間及大氣層內高速飛行器、飛船或返回式衛星等航天航空設備所在的環境極其惡劣，對耐熱層的耐燒蝕、耐熱流沖刷及機械力學性能等具有非常高的要求。耐燒蝕材料的作用機理是：材料受熱后，由于其本身具有較低的導熱系數，從而使得熱量難以傳導進入材料內部。這使得材料表面溫度迅速升高。在高溫作用下，材料中的低分子量物質和水分等揮發，而聚合物發生融化、升華和分解。最終，填料和/或聚合物形成的炭層保留在表面。耐燒蝕材料能夠防止熱侵入內部結構，對內部結構起到了熱防護的作用。

炭/酚醛燒蝕材料成本低廉,防熱耐燒蝕性能中等,被廣泛應用于一次性使用的防熱部件上,如火箭的端頭材料、發動機噴管材料等。但酚醛樹脂作為環氧樹脂，其自身分子結構中含有側羥基、脂肪鏈等薄弱結構導致環氧樹脂的殘炭率較低，因此環氧樹脂要提升耐燒蝕性能則需要提升其殘炭率。對于環氧樹脂，提升其殘炭率的方式有：一是在環氧樹脂或固化劑分子結構中引入剛性基團，如苯環，聯苯，稠環，雜環，酰亞胺等，但剛性基團的引入會提升體系的粘度，加工性能變差；二是提升環氧樹脂的交聯密度，制備多反應性官能團的環氧樹脂或者固化劑，但這將進一步導致環氧樹脂體系的韌性變差；三是納米填料的引入，如SiO₂、蒙脫土、Al₂O₃和ZnO等無機納米填料的引入對于提升環氧樹脂殘炭率具有積極作用，但這將影響后續增強體的加入。由于有機硅中的Si-O-Si結構鍵能大，鍵距長，鍵角大，有機硅化合物改性環氧樹脂在提高其熱氧穩定性、韌性以及耐燒蝕性能等方面具有獨特的優勢。

由于耐燒蝕材料在燒蝕后形成炭層會覆蓋在原耐熱層或耐燒蝕層的表面，對內部結構的保護和支撐起著重要的作用，因而，耐燒蝕材料在燒蝕后形成的炭層的力學性能具有重要的意義。但是，由于而燒蝕過程包括劇烈的熔融、升華和裂解，所以現有的部分耐燒蝕材料(例如環氧樹脂基的材料)形成的炭層通常不確定性很強，炭層的結構也不夠致密，導致材料成炭后的力學性能顯著降低，這會大大降低燒蝕后炭層對內部結構的保護和支撐作用。目前的文獻報道中，均是通過添加耐熱填料來提高燒蝕后的力學性能，如石墨，二氧化硅，硼化鋯，但是效果均不佳。因此。急需進一步研究和探索，研發燒蝕后形成的炭層具有非常優良的力學強度的耐燒蝕材料，克服現有材料的問題。

發明內容

為了解決前述耐燒蝕材料的問題，本發明提供了一種新的耐燒蝕有機硅/環氧樹脂基炭纖維復合材料制備方法和用途。

本發明首先提供了一種有機硅改性環氧樹脂，它是由有機硅和環氧樹脂共混制得。

進一步地，所述有機硅和環氧樹脂共混是苯基有機硅和環氧樹脂共混，所述苯基有機硅為端甲氧基甲基苯基硅氧烷。

進一步地，所述環氧樹脂為雙酚A型環氧樹脂。

進一步地，所述有機硅與環氧樹脂的重量比為：苯基有機硅1～70份：環氧樹脂100～150份。

進一步地，所述有機硅改性環氧樹脂還包括固化劑30～50份，所述固化劑選自4，4’-二氨基-3，3’-二氯二甲苯甲烷、二氨基苯甲烷、二氨基二苯基砜，優選地，為4，4’-二氨基-3，3’-二氯二甲苯甲烷。

本發明還提供了一種制備上述苯基有機硅改性環氧樹脂的方法，包括以下步驟：

(1)固化劑熔融，環氧樹脂預熱；