[发明专利]一种陶瓷微球改性碳纤维预制体增强硅氧碳-酚醛复合材料及其制备方法

说明书

一种陶瓷微球改性碳纤维预制体增强硅氧碳‑酚醛复合材料及其制备方法。本发明属于耐烧蚀复合材料制备领域。本发明的目的是为了解决现有轻质烧蚀复合材料抗氧化耐烧蚀性较差的技术问题。本发明的一种陶瓷微球改性碳纤维预制体增强硅氧碳‑酚醛复合材料由陶瓷微球改性碳纤维预制体和填充在其中的硅氧碳凝胶和酚醛气凝胶组成。制备方法：步骤一、设计制备陶瓷微球改性碳纤维预制体；步骤二、配置硅氧碳溶胶；步骤三、真空浸渍硅氧碳溶胶及固化干燥；步骤四、配置酚醛溶胶；步骤五、真空倒入浸渍酚醛溶胶及固化；步骤六、溶剂替换及干燥。本发明的复合材料宏微观结构可控，密度在0.27～0.90g/cm³范围内可调，机械性能和耐热冲击性能好，热稳定性和耐烧蚀性优异。

技术领域

本发明属于耐烧蚀复合材料制备领域，具体涉及一种陶瓷微球改性碳纤维预制体增强硅氧碳-酚醛复合材料及其制备方法。

背景技术

传统轻质碳/酚醛烧蚀复合材料具有低密度、耐高温、低热导率和高热阻塞的特点，在高温环境下烧蚀均匀且后退量小，可以在服役过程中良好地保持烧蚀外形，较好解决了返回式卫星、飞船等航天器的高热流、高驻点压力和短时间极端恶劣环境下的热防护。但是传统轻质碳/酚醛烧蚀复合材料采用短切碳纤维预制体作为增强相，导致材料的脆性大，力学强度不足，耐烧蚀性能较差，限制了其在中高热流、低驻点压力和长时间热环境中应用。

连续碳纤维具有较高的比强度、比模量，采用连续碳纤维预制体作为复合材料增强体，能够有效提高复合材料的力学强度，改善材料脆性，有效克服传统烧蚀材料易分层、耐冲刷性差的局限，但目前使用的材料抗氧化性能略有不足。因此急需开发出一款新型轻质的耐烧蚀复合材料。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有轻质烧蚀复合材料抗氧化耐烧蚀性较差的技术问题，而提供一种陶瓷微球改性碳纤维预制体增强硅氧碳-酚醛复合材料及其制备方法。

本发明的一种陶瓷微球改性碳纤维预制体增强硅氧碳-酚醛复合材料由陶瓷微球改性碳纤维预制体和填充在陶瓷微球改性碳纤维预制体中的硅氧碳凝胶和酚醛气凝胶组成，所述复合材料中陶瓷微球改性碳纤维预制体的密度为0.15g/cm³～0.60g/cm³，所述复合材料中硅氧碳凝胶和酚醛气凝胶的总密度为0.12g/cm³～0.30g/cm³，其中硅氧碳凝胶与酚醛气凝胶的质量比为1：(4～7)；所述陶瓷微球改性碳纤维预制体增强硅氧碳-酚醛复合材料的密度为0.27g/cm³～0.90g/cm³。

进一步限定，所述陶瓷微球改性碳纤维预制体通过以下步骤制得：①将酚醛树脂和溶剂混合，机械搅拌15min～20min，再加入陶瓷微球，机械搅拌2h～3h，得到陶瓷微球悬浊液；②采用针刺成型法，根据陶瓷微球改性碳纤维预制体的密度计算所用碳纤维网胎和碳纤维机织布的层数，然后按照层数比例将碳纤维网胎和碳纤维机织布均匀交替叠放(例如：经计算共需10层碳纤维网胎和20层碳纤维机织布，就每放2层碳纤维机织布之后叠放1层碳纤维网胎)，并在每层碳纤维网胎上喷涂一层陶瓷微球悬浊液，然后进行针刺成型工艺；③将针刺成型后碳纤维预制体先在140～160℃的条件下干燥10h～12h，然后在170～180℃的条件下固化3h～6h，得到陶瓷微球改性碳纤维预制体。

进一步限定，步骤①中所述陶瓷微球、酚醛树脂、溶剂的质量比为1:(0.8～1.2):(3～6)。

进一步限定，步骤①中所述陶瓷微球为粒径为25μm～75μm的空心玻璃微球，空心玻璃微球的真密度0.23g/cm³。

进一步限定，步骤①中所述溶剂为乙醇或丙酮。

进一步限定，步骤②中针刺成型具体参数为：针刺密度为15针/cm²～30针/cm²，针刺深度为13mm～20mm，层间密度为(20～25)层/10mm，纤维预制体厚度为5mm～100mm。