[發(fā)明專利]一種膠囊結(jié)構(gòu)輕質(zhì)熱防護(hù)復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110661144.1
• 申請日: 2021-06-15
• 公開（公告）號: CN113372682B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 彭志航;曹峰;向陽;陳莉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號: C08L61/06
• 分類號: C08L61/06;C08L63/00;C08L83/04;C08K7/06;C08K3/36;C08K3/22;C08K3/34;C08K7/10;C08K3/38;C08K3/40;C08K7/14;C08J5/04
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務(wù)所(普通合伙) 43008
• 代理人: 張麗娟

本發(fā)明公開了一種膠囊結(jié)構(gòu)輕質(zhì)熱防護(hù)復(fù)合材料，包括短纖維增強體、有機(jī)聚合物樹脂和無機(jī)填料，以有機(jī)聚合物樹脂為基體，基體內(nèi)包覆有短纖維增強體和無機(jī)填料，當(dāng)基體受熱分解、燒蝕時，無機(jī)填料暴露受熱發(fā)生分解、軟化、燒結(jié)、熔融，覆蓋在基體表面。本發(fā)明還公開了前述膠囊結(jié)構(gòu)輕質(zhì)熱防護(hù)復(fù)合材料的制備方法，本發(fā)明工藝簡單、制備周期短、減緩碳纖維及基體燒蝕。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及新材料領(lǐng)域，尤其涉及一種膠囊結(jié)構(gòu)輕質(zhì)熱防護(hù)復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

各類返回式航天器在返回地面時，以極高的速度進(jìn)入大氣層，通過與大氣摩擦產(chǎn)生大量的氣動熱，使得表面溫度高達(dá)1500 ℃或更高，如果對于氣動熱不加以妥善管理，大量的熱量將傳入航天器內(nèi)部，造成內(nèi)部貨物、機(jī)電設(shè)備破壞，以及乘員的喪生。因此需要有高效的熱防護(hù)材料用于保護(hù)航天器的安全。通常使用的熱防護(hù)材料有剛性陶瓷隔熱瓦和燒蝕材料。

早期，剛性陶瓷隔熱瓦重要用于美國航天飛機(jī)的熱防護(hù)材料，該材料由陶瓷纖維和高溫?zé)Y(jié)助劑經(jīng)高溫?zé)Y(jié)獲得，具備較高的技術(shù)難度。然而，該類材料存在脆性大、變形能力差、裝配和維護(hù)成本高、難以制備大尺寸構(gòu)件等缺點。燒蝕材料是利用受熱后材料發(fā)生物理或化學(xué)的吸熱變化或反應(yīng)，如蒸發(fā)、升華、化學(xué)裂解等途徑，通過自身材料質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的損失，帶走表面熱量，阻止熱量進(jìn)一步傳入內(nèi)部，保護(hù)飛行器。相比于被動熱防護(hù)材料，燒蝕材料沒有最高使用溫度這一限制。因此，可抵抗極端高熱流的環(huán)境，特別適用于一次性的返回式航天器熱防護(hù)使用。

美國NASA的Ames研究中心，使用酚醛樹脂浸漬剛性碳纖維預(yù)制體，獲得了一種低密度（~0.3g/cm³）、低熱導(dǎo)率的酚醛浸漬碳纖維燒蝕材料（PICA），成功的用于Stardust深空探測器的返回任務(wù)。但是，受限于剛性碳纖維預(yù)制體的尺寸限制和制造成本，在后續(xù)的MSL和歐空局的好奇號，以及SpaceX公司的Dragon貨運飛船中，不得不使用分塊設(shè)計，并且纖維增強材料替換為價格更加低廉的碳纖維針刺氈。這些航天器的成功地完成返回任務(wù)，證實了輕質(zhì)燒蝕材料用于航天器熱防護(hù)應(yīng)用是安全可行的。

但是，一方面在有氧的氣氛下，碳纖維及其樹脂基體會加速氧化、分解，造成燒蝕量的增加，如何阻隔氧氣的進(jìn)入能夠減緩燒蝕材料的氧化分解，同時減少氣體對流對傳熱的貢獻(xiàn)。另外，纖維預(yù)制體的加工通常受到幅寬和厚度的限制，纖維的成分較為單一，難以根據(jù)需求制備特定尺寸、大幅寬以及多種纖維混合的纖維預(yù)制體。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工藝簡單、制備周期短、減緩碳纖維及基體燒蝕的膠囊結(jié)構(gòu)輕質(zhì)熱防護(hù)復(fù)合材料及其制備方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種膠囊結(jié)構(gòu)輕質(zhì)熱防護(hù)復(fù)合材料，包括短纖維增強體、有機(jī)聚合物樹脂和無機(jī)填料，以有機(jī)聚合物樹脂為基體，基體內(nèi)包覆有短纖維增強體和無機(jī)填料，當(dāng)基體受熱分解、燒蝕時，無機(jī)填料暴露受熱發(fā)生分解、軟化、燒結(jié)、熔融，覆蓋在基體表面。

作為對上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

所述膠囊結(jié)構(gòu)輕質(zhì)熱防護(hù)復(fù)合材料的密度為0.15~1.8g/cm³，壓縮強度為0.2~20MPa，2000℃、15s燒蝕條件下，質(zhì)量燒蝕率在0.030~0.12g/s，線燒蝕率在0.0602~0.415mm/s。

作為一個總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明提供一種膠囊結(jié)構(gòu)輕質(zhì)熱防護(hù)復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

S1、將無機(jī)填料的原料按預(yù)設(shè)比例稱量，加入分散介質(zhì)混合后進(jìn)行球磨，球磨后干燥漿料，得到粒度≯200nm的無機(jī)填料；

S2、按預(yù)設(shè)要求將短纖維增強體、有機(jī)聚合物樹脂、有機(jī)溶劑、增粘劑和無機(jī)填料加熱攪拌，使有機(jī)聚合物樹脂完全溶解、短纖維增強體和無機(jī)填料均勻分散在液相中，得注模漿料；