[发明专利]一种酚醛浸渍碳烧蚀体材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种制备酚醛浸渍碳烧蚀体材料的方法。将短切碳纤维、热固性酚醛树脂粉和分散剂放入水中制成料浆；将料浆倒入金属容器中，放入冷冻干燥设备内冷冻干燥，制得碳纤维增强体；对碳纤维增强体进行碳化处理，制得刚性碳纤维骨架；将刚性碳纤维骨架真空浸泡入添加交联剂的热固性酚醛树脂粉的无水乙醇溶液中；将经酚醛浸渍后的刚性碳纤维骨架放入密闭容器中，溶胶‑凝胶成型，再经老化、常压干燥，即得酚醛浸渍碳烧蚀体材料。本发明采用冷冻干燥成型碳纤维增强体，制备出了各项同性酚醛浸渍碳烧蚀体材料，克服了现有技术制备碳纤维增强体材料时材料各向异性明显、制备碳气凝胶时原料价格昂贵、致癌，工艺周期长，具有一定危险性的缺陷。

技术领域

本发明属于酚醛浸渍碳烧蚀体材料的制备技术领域，具体涉及一种酚醛浸渍碳烧蚀体材料的制备方法。

背景技术

热防护系统(Thermal protection system, TPS) 是保护飞行器在高超声速穿越星球大气层时免遭严酷气动加热环境的损伤，安全进入星球的飞行器子系统。通常可将热防护材料分为可重复使用热防护材料和烧蚀热防护材料两类。酚醛浸渍碳烧蚀体材料（Phenolic impregnated carbon ablator, PICA）是众多烧蚀型热防护材料的一种。PICA最初是由NASA的Ames研究中心开发，由酚醛树脂溶液浸渍碳纤维增强体组成，是一种低密度（<0.5g/cm³）、低热导率（<0.2W/m·K）和低烧蚀量的高效热防护材料，能够应用于高热流、高温等极端环境下的飞行器大面积热防护系统。该材料因先后应用于Stardust返回舱迎风面热防护体系和“好奇好”的迎风面热防护材料，因而荣获NASA的2007年度材料奖。

公开资料表明，PICA是由酚醛树脂溶液浸渍短切碳纤维增制体制备出的具有纤维增强的酚醛气凝胶结构材料。根据PICA的制备工艺流程，可将其分为短切碳纤维增强体的制备和酚醛树脂碳气凝胶结构的制备。碳气凝胶一般采用间苯二酚和甲醛为原料，经溶液-溶胶-凝胶、溶剂置换、超临界干燥和碳化过程制备而成。在碳气凝胶制备过程中，原料甲醛作为溶剂，其为1类致癌物；间苯二酚价格昂贵；涉及的超临界干燥工艺必须在高温高压下进行，有一定的危险性，且制备周期长。上述制备过程中的不足限制了其应用和推广。对于PICS碳纤维增强体的制备，目前主要采用真空抽滤成型和压力抽滤成型。真空抽滤成型工艺耗时，需要使用价格较贵的模具造型设备，材料性能各向异性（碳纤维沿xy面择优取向，在z向纤维含量较少），碳纤维层层抽滤叠加，易分层。压力抽滤成型，工艺相对简单，解决了碳纤维叠加易分层的缺陷，但是仍无法解决材料性能各向异性的问题。

发明内容

为克服现有技术中酚醛浸渍碳烧蚀体材料制备过程中材料各向异性、工艺耗时且具有一定危险性、成本高的缺陷，本发明的目的在于提供一种新的酚醛浸渍碳烧蚀体材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种酚醛浸渍碳烧蚀体材料的制备方法，步骤如下：

（1）将短切碳纤维、热固性酚醛树脂粉和分散剂放入水中制成料浆；其中，所述短切碳纤维占水质量的5 ~ 15wt%，所述热固性酚醛树脂粉占水质量的3 ~ 5wt%，所述分散剂占水质量的0.5 ~ 2.0wt%；

（2）将步骤（1）制备的料浆倒入金属容器中，放入冷冻干燥设备内冷冻干燥，制得碳纤维增强体；

（3）对步骤（2）制备的碳纤维增强体进行碳化处理，制得刚性碳纤维骨架；

（4）将步骤（3）制备的刚性碳纤维骨架真空浸泡入添加交联剂的热固性酚醛树脂粉的无水乙醇溶液中；

（5）将步骤（4）酚醛浸渍后的刚性碳纤维骨架放入密闭容器中，溶胶-凝胶成型，再经老化、常压干燥，即得酚醛浸渍碳烧蚀体材料。