[发明专利]一种具有低导热系数的泡沫碳基复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种泡沫碳基复合材料，特别涉及一种具有低导热系数的泡沫碳基复合材料。

背景技术

随着航天飞行器和导弹的发展，新型高超声速飞行器在稠密大气层长时巡航或再入过程中会遭受严重的气动加热。为防止高速飞行器长时间飞行时的气动加热对内部结构和仪器的热损坏，这类飞行器需要耐高温、高效、轻质的热防护系统。但是现有的有机隔热材料使用温度不高，而用于高温隔热的无机纤维隔热材料的隔热效果受到生产工艺的限制难以进一步的提高，特别是在高温环境下其导热系数相对室温环境大幅度增加。因此，传统隔热材料往往需要通过增加尺寸来提高隔热效果。而隔热材料的加厚则使飞行器的重量和使用成本大幅度增加，性能大幅降低。因此，寻求一种新型耐高温、轻质、高效的隔热材料是未来导弹、航天飞行器等表面热防护技术设计所追求的目标。

泡沫碳依据其孔壁的材质，可以分为石墨化和非石墨化泡沫碳。非石墨化泡沫碳也成为网状玻璃态泡沫碳（Reticulated Vitreous Carbon Foam），是一种碳素骨架和相互连通的孔腔组成的具有三维网状结构的轻质多孔材料，碳原子之间以一定的成键方式相互连接，密度约为0.05~0.1g/cm³。非石墨化泡沫碳具有密度低、热性能优异、尺寸稳定性好、抗热冲击性等优点，既是一种极具潜力的隔热材料，又是一种高性能的结构材料。为此，可以探索一种复合工艺把泡沫碳与其他隔热材料有机结合，尽可能降低热传导系数、提高材料的强度，形成一种性能更优越的复合型隔热材料。具有纳米孔结构的气凝胶是最具潜力的一类隔热材料。气凝胶是以纳米粒子或高聚物分子相互聚结组成的多孔固体材料，具有密度低、热导系数小、耐热性高等特点，是目前所有固体材料中热导率最低的材料，在隔热方面具有广泛的应用前景。气凝胶虽然导热系数极低，但力学性能差、脆性大、易碎，故不能直接作为隔热材料。因此，气凝胶需要隔热性能优异的材料作为载体骨架，才能稳定使用。

申请号为201410157562.7的中国发明专利公开了一种弹性碳泡沫氧气还原催化剂及其制备方法，其特征在于该弹性碳泡沫氧气还原剂是在含微量氧条件下，直接高温碳化三聚氰胺泡沫材料制备而成，通过该方法制备的弹性碳泡沫具有自支撑的三维网络结构、良好的回弹性，优异的氧气还原催化性能，并且其氧气还原性能和弹性可以通过调节微氧的浓度来调控。该专利是采用三聚氰胺泡沫热解得到碳泡沫应用于氧气还原催化剂载体，与本专利应用应用领域不相同，因此制备工艺以及材料结构存在较大的差异。

申请号为201410391902.2的中国发明专利公开了一种填充SiO₂气凝胶的碳气凝胶的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤 ：（1）碳气凝胶的制备：以间苯二酚 (R) 和甲醛 (F) 为前驱体（摩尔比 R：F＝1：2），无水碳酸钠为催化剂，碳泡沫骨架，制备以碳泡沫为基的碳气凝胶。（2）碳气凝胶表面酸处理 ：将 H₂O₂：NH ₃H₂O：H₂O 按照1：1：5 的体积比例配成混合溶液，将上述碳气凝胶浸入该混合溶液中，在 90℃的水浴条件下保持 1h。（3）SiO₂前驱体溶液制备及碳气凝胶浸入前驱体溶液老化、干燥得到填充二氧化硅气凝胶的碳气凝胶。 该制备方法可靠，安全性能好，制得的复合气凝胶既保持了气凝胶的有益性能，又增强了气凝胶的力学性能 ；复合凝胶表面疏水，不易吸收空气中的水分，收缩性小。该专利提出了一种碳泡沫-气凝胶复合结构的制备方法，但对于碳泡沫材料具体性质并没有解释，而碳泡沫基材的优劣对该复合材料的力学性能起决定性作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，旨在提供一种具有低导热系数的泡沫碳基复合材料，其特征在于，所述的泡沫碳基复合材料包括基材泡沫碳骨架，气凝胶填充体，气凝胶在泡沫碳骨架上原位生成，泡沫碳体积分数为60%~80%，气凝胶体积分数为20%~40%；表观密度为0.1~0.5g/cm³，室温导热系数为0.02~0.025W/m·K。

所述的泡沫碳基复合材料，其特征在于所述的泡沫碳是由三聚氰胺泡沫在高温热解形成，柔韧性优异，表观密度为0.006~0.01 g/cm³，室温导热系数0.025~0.035 W/m·K。