[发明专利]一种碳纤维混杂保护方法及其耐烧蚀复合材料制备

说明书

本发明公开了一种碳纤维混杂保护方法及其耐烧蚀复合材料制备。本发明的碳纤维保护方法为碳纤维束整体保护法，采用夹芯包覆的形式将一层短切陶瓷纤维增强复合材料包覆在一束碳纤维表面。在超高温条件下，外保护层发生熔融反应，生成的熔融物质弥散填充缝隙并与陶瓷纤维粘结形成统一结构，使短切陶瓷纤维形成类似长纤维结构，提高其强度，同时保护层转化为致密的、可绝氧的纤维增强陶瓷壳体，有效的保护碳纤维，提高碳纤维的高温力学强度，使其可满足具有高温烧蚀结构强度的应用，同时用其增强的耐烧蚀复合材料在长时间处于高温条件下可具有良好的结构力学强度。本发明的碳纤维混杂保护方法具有低成本，工艺简单，可设计性强的优点。

技术领域

本发明涉及碳纤维高温保护和耐烧蚀复合材料技术领域，具体是设计一种混杂保护方法使碳纤维可满足具有高温烧蚀结构强度的应用。

背景技术

航天飞机在进入大气层时，飞行器表面的温度会迅速升高，可高达几千摄氏度。酚醛树脂耐烧蚀性能良好，尤其具有突出的瞬时耐高温烧蚀性能和较好的耐冲刷性能，因而在宇航工业中长期作为耐高温抗烧蚀复合材料的基体材料，但在应用中此类复合材料在高温气流冲刷下极易出现揭层甚至开裂等问题。碳纤维具有高比强度、高比模量、韧性好等优异的力学性能，可用于增强酚醛树脂复合材料，如中国专利文献CN 101440193A公布了一种碳/酚醛防热复合材料及其制造工艺，但碳纤维在高温下易氧化，难以抵抗高温烧蚀，导致复合材料经过高温烧蚀后性能降低。

为解决此类问题，有研究学者采用在碳纤维表面涂一层抗氧化涂层的方法保护碳纤维，如中国专利文献CN 109183422A公开了一种抗氧化涂层碳纤维的制备方法，以全氢聚硅氮烷为原料，采用浸渍热转化方法，在碳纤维表面成功包覆硅氧氮涂层，在高温氧化过程中迅速吸收空气中的氧分子，在材料表面形成整体保护，阻碍氧气分子进入材料内部，保护碳纤维不被氧化，从而显著提高碳纤维的抗氧化性能。又如中国专利文献CN 105859304B公开了一种三维碳纤维预制体界面涂层制备方法，将聚硅氮烷、催化剂和溶剂混合制成浸渍液，然后将三维碳纤维预制体浸没于其中，烘干后在含有水蒸气的气氛中升温加热，形成陶瓷涂层。但这类方法工艺复杂，生产成本高，不利于工程应用。

本发明是采用碳纤维整束保护法，以一束碳纤维为芯材，在其外表面包覆一层短切陶瓷纤维增强复合材料作为保护层，形成夹芯包覆结构。在超高温条件下，外保护层发生熔融反应，生成的熔融物质弥散填充缝隙并与陶瓷纤维粘结形成统一结构，使短切陶瓷纤维形成类似长纤维结构，提高陶瓷纤维的强度，同时保护层转化为致密的、可绝氧的纤维增强陶瓷壳体，阻挡氧气进入，有效的保护碳纤维。本发明的碳纤维混杂保护方法具有低成本，工艺简单，可设计性强的优点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种碳纤维混杂保护方法及其耐烧蚀复合材料制备，以克服现有技术存在的碳纤维不耐高温问题，从而解决防热材料中增强材料抗烧蚀性与力学性能不能兼顾的问题。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的碳纤维混杂保护方法，按质量份数计，该方法保护的混杂碳纤维含有以下的组分：碳纤维50份，短切陶瓷纤维50-100份，上浆剂5-10份。

上述方法中，所述的碳纤维为PAN基碳纤维、沥青基碳纤维中的一种或多种。

上述方法中，所述短切陶瓷纤维为氧化锆纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维中的一种或多种，纤维长度为0.1-2mm。

上述方法中，所述上浆剂为一种无机物杂化改性的耐高温热固性树脂。其中，所述无机物为低熔点金属氧化物和矿物质的混合物，所述耐高温热固性树脂为酚醛树脂、改性酚醛树脂、苯并噁嗪树脂、聚芳基乙炔树脂中的一种或多种。

本发明方法为碳纤维束整体保护法，具体是以一束碳纤维为芯材，在其外表面包覆一层短切陶瓷纤维增强复合材料作为保护层，形成夹芯包覆结构。