一种耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料的制备方法

本发明属于耐烧蚀复合材料制备，尤其涉及一种耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料的制备方法。

背景技术：

1、传统c/c复合材料凭借其密度低、热膨胀系数小、强度和模量高、化学稳定性和尺寸稳定性好等特性，作为非常优异的热防护材料，被广泛应用于各类高温热防护系统中。但是，更高的服役要求促使研究人员改变传统材料设计理念，不断研发出新型热防护材料。

2、传统的c/c复合材料是碳纤维增强致密碳基质复合材料，通过提高基体的致密度可以显著提升材料的抗烧蚀性能，但紧密的材料结构也会导致隔热性能的下降，使其热导率偏高。因此，这类材料多应用在对隔热要求较低，甚至几乎没有要求的服役环境中。

3、碳气凝胶作为一种新型材料，兼具碳材料的稳定性和多孔材料的高效隔热特性，是一种理想的耐烧蚀隔热材料。此外，碳气凝胶强度较低，通常利用与纤维复合来提高材料的力学性能。但是，纤维增强碳气凝胶复合材料的制备是通过碳源裂解碳化制备的，纤维和基体的收缩不匹配导致材料的微观结构不均匀，性能被极大地削弱。因此，开发一种微纳结构的填缝方法对传统碳气凝胶复合材料的发展具有至关重要的意义。

4、综上，非常有必要提供一种耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料的制备方法。

技术实现思路

1、为了解决现有碳气凝胶复合材料存在的一个或者多个技术问题，本发明提供了一种耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料的制备方法。

2、本发明在第一方面提供了一种耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

3、(1)将酚醛树脂、固化剂、溶剂和分散剂混合均匀，得到第一酚醛溶液，用第一酚醛溶液浸渍纤维编织体，再依次经老化、干燥和碳化，得到碳气凝胶复合材料；

4、(2)将酚醛树脂、酚醛气凝胶粉末、分散剂和溶剂混合均匀，得到第二酚醛溶液，用第二酚醛溶液浸渍碳气凝胶复合材料后静置，再在400～600℃下预碳化处理，得到预处理的碳气凝胶复合材料；所述酚醛气凝胶粉末由第一酚醛溶液依次经老化、干燥、研磨和过筛得到；

5、(3)将酚醛树脂、固化剂、溶剂和分散剂混合均匀，得到修复溶液，用修复溶液一次浸渍预处理的碳气凝胶复合材料，然后进行超声处理与二次浸渍，最后依次进行凝胶、老化和碳化；

6、(4)依次重复步骤(2)和步骤(3)2～5次，实现对碳气凝胶复合材料的纳米修复，制得耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料。

7、优选地，在步骤(1)中：所述酚醛树脂、固化剂、溶剂与分散剂的质量比为20:(1～5):(80～120):(0～1)；所述固化剂为多聚甲醛、六亚甲基四胺、苯胺、甲醛、三聚氰胺、碳酸盐、碳酸氢盐、碱中的一种或多种；所述溶剂为无水乙醇、丙醇、甲醇、乙二醇中的一种或多种；和/或所述分散剂为去离子水、聚乙二醇400、聚乙二醇600和聚乙二醇1000的一种或多种。

8、优选地，在步骤(1)中：所述浸渍为常压浸渍或真空浸渍，所述真空浸渍的压力为0.01～10kpa；所述浸渍的时间为30～60min；所述老化为在120～150℃下老化5～30h；所述干燥为在170～190℃下干燥10～20h；所述碳化在真空条件下或者惰性气体保护下进行；和/或所述碳化的温度为600～1200℃，所述碳化的时间为1.5～3.5h。

9、优选地，在步骤(1)中：所述纤维编织体采用的纤维为碳纤维、石英纤维、玻璃纤维、莫来石纤维、酚醛纤维中的一种或多种；和/或所述纤维编织体的结构为针刺结构、网胎结构、2.5d编织结构或三维编织结构。

10、优选地，在步骤(2)中：所述酚醛树脂、酚醛气凝胶粉末、分散剂和溶剂的质量比为1:(0.1～1):(0.1～0.5):(5～10)；所述分散剂为三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、聚丙烯酰胺的一种或多种；所述溶剂为无水乙醇、丙醇、甲醇、乙二醇中的一种或多种；和/或所述酚醛气凝胶粉末的粒径为100～200目。

11、优选地，在步骤(2)中：所述浸渍为常压浸渍；所述浸渍的时间为0.5～1h；和/或所述静置的时间为0.5～2h。

12、优选地，在步骤(3)中：所述酚醛树脂、固化剂、溶剂和分散剂的质量比为1:(0.1～0.5):(1～10):(0～1)；所述固化剂为多聚甲醛、六亚甲基四胺、苯胺、甲醛、三聚氰胺、碳酸盐、碳酸氢盐、碱中的一种或多种；所述溶剂为无水乙醇、丙醇、甲醇、乙二醇中的一种或多种；和/或所述分散剂为去离子水、聚乙二醇400、聚乙二醇600和聚乙二醇1000的一种或多种。

13、优选地，在步骤(3)中：所述一次浸渍和/或所述二次浸渍为常压浸渍或真空浸渍，所述真空浸渍的压力为0.01～10kpa；所述一次浸渍的时间为30～60min；所述超声处理的时间为15～30min；和/或所述二次浸渍的时间为10～30min。

14、优选地，在步骤(3)中：所述凝胶为在80～100℃下凝胶2～5h；所述老化为在150～180℃下老化5～10h；所述碳化在真空条件下或者惰性气体保护下进行；和/或所述碳化的温度为600～1200℃，所述碳化的时间为1.5～3.5h。

15、本发明在第二方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料。

16、本发明与现有技术相比至少具有如下的有益效果：

17、(1)本发明在制备耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料时对所述的碳气凝胶复合材料采用的纳米修复方法，克服了传统碳气凝胶复合材料由于收缩不匹配导致的微观结构不均匀的问题，提升了材料的耐烧蚀性能和抗氧化性能；本发明中的纳米修复方式制备工艺简单，高效，适合大批量生产。

18、(2)本发明得到的耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料密度低、耐热性能好、烧蚀率低；本发明通过均匀的碳基质与纤维增强相复合，并通过对碳气凝胶复合材料进行了微观结构优化，通过本发明首次提出的纳米修复方式，设计并制备了耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料，拓宽了传统c/c复合材料的应用领域，该发明原料易得，反应简单且可控，制备方法简单，制备周期较短，易于产业化，本发明得到的耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料的力学强度得到了显著提升；同时，纳米修复后得到的均匀的微纳结构能够提供材料好的结构稳定性和优异的隔热性能。

19、(3)本发明极大削弱了碳源的碳化收缩，同时经过工艺优化省去了费时的溶剂替换工序，降低了制备成本，缩短了制备周期，适合批量化生产。

20、(4)与现有材料相比，本发明得到的耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料的密度为0.26～0.41g/cm3；室温热导率为0.055～0.068w/(m·k)；在氩气气氛下加热至1000℃后的残重为94.5～97％；在空气气氛下加热至1000℃后的残重为3～13％。

技术特征：

1.一种耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中：

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中：

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中：

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中：

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中：

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中：

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中：

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中：

10.由权利要求1至9中任一项所述的制备方法制得的耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料。

技术总结本发明涉及一种耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料的制备方法。所述方法为：碳气凝胶复合材料的制备；将酚醛树脂、酚醛气凝胶粉末、分散剂和溶剂混合均匀，得到酚醛溶液，用酚醛溶液浸渍碳气凝胶复合材料后静置，再在400～600℃下预碳化处理；将酚醛树脂、固化剂、溶剂和分散剂混合均匀，得到修复溶液，用修复溶液一次浸渍预处理的碳气凝胶复合材料，然后进行超声处理与二次浸渍，最后依次进行凝胶、老化和碳化，重复该步骤2～5次，实现对碳气凝胶复合材料的纳米修复，制得耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料。本发明对传统碳气凝胶复合材料进行了微观结构优化，通过纳米修复制备工序，获得了密度低、隔热性好、烧蚀率低的耐烧蚀隔热碳气凝胶复合材料。技术研发人员：张幸红,洪长青,金翔宇,王玮,冯宇,韩杰才,杜善义受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/17