[发明专利]一种陶瓷改性耐烧蚀酚醛气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种陶瓷改性耐烧蚀酚醛气凝胶及其制备方法，将线性酚醛树脂和硼酸溶解于乙醇溶液中，再加入耐烧蚀陶瓷粉末填料与交联剂六次甲基四胺，经过初期溶胶‑凝胶过程后进行加热固化，得到无机复合酚醛湿凝胶，常压干燥得到耐烧蚀酚醛气凝胶。本发明具有成本低廉、过程可控，反应条件低适宜工业生产等优点。所制备的耐烧蚀酚醛气凝胶具有良好的抗压强度，低导热系数和密度以及良好加工性能等优点，且可在高温下维持原有形状和性能，有望应用于高速飞行器外热防护领域。

技术领域

本发明涉及一种陶瓷改性耐烧蚀酚醛气凝胶及其制备方法，属于酚醛树脂材料及飞行器热防护技术领域。

背景技术

烧蚀材料在宇航工业中的应用非常广泛，几乎所有宇航工业的防热材料都应用到烧蚀材料。对于烧蚀材料除了耐热性要求高之外，对其他物理参数如密度、热导率都提出了较高的要求，低导热率和低密度使材料重量减轻，热传导降低，有利于提高材料防隔热性能。酚醛树脂是世界上最早实现工业化生产的合成树脂，迄今已有逾百年的历史。由于原料易得，价格低廉，生产工艺和设备简单，而且产品具有优良的机械性、耐热性、尺寸稳定性、成型加工性、阻燃性及低烟雾性，酚醛树脂在航天烧蚀材料方面得到了广泛地应用。随着现代宇航飞行器对速度的更高需求，对酚醛树脂的性能尤其是耐烧蚀性和轻质化的要求越来越苛刻，然而酚醛树脂由于自身结构和带有易氧化基团的原因，限制了其在耐热耐温材料应用中的发展。因此，研究复合改性酚醛树脂具有重大意义，通过制备多孔酚醛气凝胶结构，引入一系列陶瓷化组分，从而达到提高传统酚醛树脂的耐烧蚀性和轻质化的目的。

酚醛气凝胶拥有低密度、高孔隙率、高比表面积、低热导等特性，且强度高、不易碎裂，聚合物凝胶网络骨架在提供强度的同时其分子链又可被功能化修饰和剪裁，赋予特定功能性。然而，酚醛气凝胶耐温性有限，高温碳化后体积收缩严重，抗氧化性能不足，这些缺点限制了其在航天领域的应用范围。在烧蚀防热复合材料中，单一酚醛气凝胶难以抵御高速燃气流的冲刷，形成的多孔碳化层极易被氧化。因此，复合成酚醛为气凝胶材料应用中一个重要发展方向。但是，直接将可陶瓷化粉末等无机组分与酚醛树脂复合的相容性较差，难以达到均匀混合，且改性树脂易产生沉淀，工艺性差。为此，本研究通过加入硼酸对溶胶-凝胶反应进行过程控制，将碳化硼，硼化锆等无机组分均匀引入到酚醛有机凝胶网络结构中，成功制备出轻质耐烧蚀酚醛气凝胶材料。

发明内容

针对目前宇航飞行器领域对酚醛热防护材料提出的防隔热，耐烧蚀与轻质化需求，本发明提供了一种陶瓷改性耐烧蚀酚醛气凝胶的制备方法，所述方法将线性酚醛树脂和硼酸溶解于乙醇溶液中，再加入耐烧蚀陶瓷粉末填料与交联剂六次甲基四胺，经过初期溶胶-凝胶过程后进行加热固化，得到无机复合酚醛湿凝胶，常压干燥得到耐烧蚀酚醛气凝胶。硼酸与六次甲基四胺作用提高体系粘度，控制溶胶-凝胶过程实现陶瓷粉末填料在树脂基体中均匀混合，另外，烧蚀过程中硼酸低温分解形成氧化硼，渗入酚醛气凝胶孔隙之间并将陶瓷粉末填料连接，填补酚醛气凝胶孔隙，并在其表面形成一层致密的抗氧化膜，从而显著提高材料的耐烧蚀性能。本发明具有成本低廉、过程可控，反应条件低适宜工业生产等优点。所制备的耐烧蚀酚醛气凝胶具有良好的抗压强度，低导热系数和密度以及良好加工性能等优点，且可在高温下维持原有形状和性能，有望应用于高速飞行器外热防护领域。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种陶瓷改性耐烧蚀酚醛气凝胶的制备方法，所述方法步骤如下：

1)将线性酚醛树脂添加至无水乙醇溶液中，常温下搅拌至溶解，配制成质量分数为20wt％-50wt％的酚醛乙醇溶液；

2)向上述酚醛乙醇溶液中加入硼酸并搅拌溶解；

3)向上述混合溶液中同时加入陶瓷粉末填料与交联剂六次甲基四胺，常温搅拌至六次甲基四胺溶解，溶胶体系粘度上升形成均匀悬浊液；

4)将悬浊液置于密闭容器中，放入烘箱加热，进行溶胶-凝胶反应得到无机复合酚醛湿凝胶；将湿凝胶取出，自然晾置后常压干燥，得到耐烧蚀酚醛气凝胶。