[发明专利]一种连续纤维增强热防护材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种连续纤维增强热防护材料及其制备方法。其中，连续纤维增强热防护材料从面到里包括耐烧蚀区、过渡区和隔热区；过渡区和隔热区由连续纤维织物与热固性树脂复合固化而成；耐烧蚀区由连续纤维织物与热固性树脂复合固化后经由改性酚醛树脂浸渍而成，耐烧蚀区、过渡区和隔热区的纤维体积分数为：耐烧蚀区＞过渡区＞隔热区。本发明提供的连续纤维增强整体成型多功能热防护材料具有轻量化、表面耐烧蚀、内部导热系数低、热解吸热强、表面防热效果好等优异特性，在高超声速飞行器热防护系统中具有重用的应用价值。

技术领域

本发明涉及热防护材料技术领域，尤其涉及一种连续纤维增强热防护材料及其制备方法。

背景技术

随着人类对宇宙外太空探索，下一代深空探测、星际航行和返回再入等新型飞行器的热防护系统面临更加严酷的气动热环境，如弹道式和半弹道式再入或进入时，加速度大、热流、焓值和压强急剧升高，造成表面温度达到3000℃以上；升力式再入或进入时，虽然热流与压强相对不高，但是再/进入时间长(1000s甚至更长)，导致总气动热载荷加剧。如此恶劣的气动热环境对热防护材料的效能提出了严峻挑战：表面温度高、时间长的严酷热环境，一方面造成累积烧蚀量大，需要防热材料具有较低的烧蚀后退率，同时兼具高效隔热能力，从而在有限厚度下能够减缓或阻挡热量向内部传递；另一方面，为了提高热防护材料的结构效率和整体可靠性，既需要轻量化设计，降低结构冗余重量，又需要材料整体成型，从而解决分体成型带来的分层、脱粘等难题，最大化提升结构效率和先进性水平。

传统热防护材料的防热与隔热功能分离，通过机械连接/粘接组合而成，很难同时满足防热、隔热、耐烧蚀和轻量化的需求。例如，碳/酚醛复合材料耐烧蚀性能良好，可用于高焓、高热流气动环境，但质量较大，且高温下导热系数迅速上升，导致隔热能力降低；石英/酚醛复合材料隔热性能较好，但高温下易熔化，且耐烧蚀能力不足；PICA密度低、导热系数小、热解吸热能力强，但是一旦热流或时间增加，该多孔材料烧蚀后退显著；TUFROC、三明治/蜂窝/点阵夹心等组合式热防护系统虽然实现了防隔热功能，但是高焓、高压气流作用下，异质材料之间极易发生分层、脱粘。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种连续纤维增强整体成型多功能热防护材料及其制备方法，兼具轻量化、表面耐烧蚀、内部导热系数低、热解吸热强、表面防热效果好等优异特性，在高超声速飞行器热防护系统中具有重用的应用价值。本发明技术解决的问题是：克服传统热防护材料防热与隔热功能分离、通过机械连接/粘接组合引起的热防护效率低、冗余质量大、可靠性差等技术问题

本发明在第一方面提供一种连续纤维增强热防护材料，所述连续纤维增强热防护材料从面到里包括耐烧蚀区、过渡区和隔热区；所述过渡区和隔热区由连续纤维织物与酚醛树脂复合固化而成；所述耐烧蚀区由连续纤维织物与酚醛树脂复合固化后经由改性酚醛树脂浸渍而成；所述耐烧蚀区、过渡区和隔热区的纤维体积分数为：耐烧蚀区＞过渡区＞隔热区。

所述纤维体积分数为连续纤维的体积占该区域的总体积的百分比。

作为优选地实施方式，所述耐烧蚀区、过渡区和隔热区的连续纤维织物为组合编织连续纤维织物，所述组合编织为多种编织方式的组合。

优选地，所述耐烧蚀区的连续纤维织物通过经纱和/或纬纱，连接所述过渡区的连续纤维织物；所述过渡区的连续纤维织物通过经纱和/或纬纱，连接所述隔热区的连续纤维织物；所述耐烧蚀区、过渡区和隔热区形成一体构造。

作为优选地实施方式，所述多种编织方式选自三维多向编织、多层联锁编织、正交三向机织、层层角联锁机织、多层多向机织中的任意两种或多种。

优选地，所述耐烧蚀区的编织方式选自三维多向编织、多层联锁编织和正交三向机织中的任一种。

优选地，所述过渡区的编织方式选自层层角联锁机织和多层多向机织中的任一种。

优选地，所述隔热区的编织方式选自层层角联锁机织和多层多向机织中的任一种。