CN102477624A - 一种防热抗烧蚀复合材料的增强体 - Google Patents

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刘漪涛
李盼盼
秦蓉蓉
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Abstract

本发明提供了一种防热抗烧蚀复合材料的纤维织物增强体，具体成分包括酚醛纤维纱和无机抗烧蚀纤维纱，本发明将无机纤维纱与酚醛纤维纱按照一定比例混织，根据防热结构件工况和防热结构件成形工艺要求织物结构可以为平纹、斜纹、缎纹、经编衬纬、2.5D立体或3D立体结构。该防热抗烧蚀复合材料的纤维织物增强体主要用于航天航空产品防热构件上，满足防热构件抗热、气流刷性好、与机体树脂结合牢固、热导率低、重量小等要求。

Description

一种防热抗烧蚀复合材料的增强体
技术领域
本发明涉及一种复合材料的增强体，特别是一种防热抗烧蚀复合材料的纤维织物增强体。
背景技术
目前通用的防热抗烧蚀复合材料的增强体，按照原材料类别可分为下述三类：(1)硅类无机纤维织物增强体，包括：高硅氧玻璃纤维织物增强体、石英玻璃纤维织物增强体、高强玻璃纤维织物增强体、无碱玻璃纤维增强体等，主要用于航天产品外部防热构件；(2)碳类无机纤维织物增强体，包括：聚丙烯腈基碳纤维织物增强体、黏胶基碳纤维织物增强体等，主要用于航天、航空领域的防热构件；(3)陶瓷类无机纤维织物增强体，包括：氧化铝纤维织物增强体、氧化锆纤维织物增强体、碳化硅纤维织物增强体、玄武岩纤维织物增强体等，用于民用产品及军用地面设备的防热抗烧蚀构件。
通常情况下，将防热抗烧蚀复合材料的纤维织物增强体浸渍相应的树脂基体形成预浸料，通过模压、缠绕、或热压罐成型等工艺方法制备防热抗烧蚀构件。
以上三类纤维织物增强体主要缺点在于：
抗热气流冲刷性能差：由于上述三种无机纤维与树脂基体结合性能差，因此在热气流冲刷条件下会产生脱粘、分层和开裂现象；
热导率高：由于无机纤维本身热导率较高，所以用上述三类纤维增强体所制备的复合材料构件热导率较高，均在0.45W/m·K以上；
价格高：除少数几种硅类纤维的价格比较便宜外，其它可用的无机纤维价格均在每千克数千元以上。
密度大：硅类无机纤维的密度均高于2.2g/cm3，碳类无机纤维均密度高于1.5g/cm3，陶瓷类纤维均密度高于2.8g/cm3，导致防热构件重量增大，不能满足航空航天整体重量要求。
性能可设计性差：由于上述增强体均为单一原材料，性能固定，无法进行进一步材料设计，不能满足防热构件综合性能要求。
发明内容
为解决目前防热抗烧蚀复合材料的纤维织物增强体及其制备的防热构件的抗热气流冲刷性能差、热导率高、价格高、密度大、性能可设计性差的等问题，本发明提供了一种防热抗烧蚀复合材料的纤维织物增强体。满7足目前航天航空产品对低密度、高效的防热、抗烧蚀、隔热一体化功能复合材料的制备需求。
本发明提供的防热抗烧蚀复合材料的纤维织物增强体的具体成分为：
成分包括酚醛纤维纱1和无机抗烧蚀纤维纱2，其中无机耐烧蚀纤维纱2可单独或同时采用石英玻璃纤维、高硅氧玻璃纤维、高强玻璃纤维、无碱玻璃纤维、聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维等编织工艺性好的无机抗烧蚀纤维。
无机抗烧蚀纤维纱2与酚醛纤维纱1的配比及无机纤维的种类可按照使用工作状况及后续加工工艺要求确定。
防热抗烧蚀复合材料的纤维织物增强体的具体结构为：
将无机纤维纱2与酚醛纤维纱1按照一定比例混织，根据防热结构件工况和防热结构件成形工艺要求织物结构可以为平纹、斜纹、缎纹、经编衬纬、2.5D立体或3D立体结构。
由于该防热抗烧蚀复合材料的纤维织物增强体由无机抗烧蚀纤维和酚醛纤维混织而成，既具有无机抗烧蚀纤维的抗烧蚀特性好、耐热性好，同时利用酚醛纤维实现热导率低、与树脂结合强度高、密度小的特点，通过调整两种纤维的配比可适应多种工作状况和工艺要求，使防热抗烧蚀复合材料的纤维织物增强体及其制备的防热构件的抗热气流刷性好、与机体树脂结合牢固、热导率低、价格便宜、密度小、性能可设计性好，可以满足航天航空产品防热构件的综合性能要求。
附图说明
图1是防热抗烧蚀复合材料的纤维织物增强体平纹结构示意图。
具体实施方式
下面通过实例对本发明做进一步的说明，但是需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
实例1：B型石英玻璃纤维-酚醛纤维平纹结构混织纤维织物增强体
选用线密度为85tex的B型石英玻璃纤维纱和线密度为20Ne的牌号为TY-04酚醛纤维纱。将B型石英玻璃纤维纱做环氧K处理；将酚醛纤维纱用85℃热水浸泡30min，烘干后将3根TY-04酚醛纤维纱单纱合股。
将处理过的B型石英玻璃纤维纱和酚醛纤维纱采用平织工艺编织成平纹布，编织参数为：石英玻璃纤维纱与酚醛纤维纱的纤维根数比例1∶1，经纱密度10根/cm，纬纱密度10根/cm，面密度175±5g/m2。将编织成的纤维织物增强体浸渍酚醛树脂后制成防热构件，按GB/T10295试验标准测定出它的热导率为0.30W/m·K，按GB/T1447试验标准测定出它的弯曲强度为190MPa，弯曲模量为5GPa，按GJB323A试验标准测定出氧-乙炔质量烧蚀率为0.0478g/s，按GB/T1463试验标准测定的密度1.42g/cm3。
实例2：高硅氧玻璃纤维-酚醛纤维斜纹结构混织纤维织物增强体
选用线密度为150tex高硅氧玻璃纤维纱和线密度为20Ne牌号为TY-04酚醛纤维纱。将高硅氧玻璃纤维纱用丙酮清洗，自然晾干后，180℃烘25min；酚醛纤维纱用85℃热水浸泡30min，烘干后将6根TY-04酚醛纤维纱单纱合股。
将处理过的高硅氧玻璃纤维纱和酚醛纤维纱采用斜织工艺编织成斜纹布，编织参数为：高硅氧玻璃纤维纱与酚醛纤维纱比例纤维根数比例为1∶2，经纱密度8根/cm，纬纱密度8根/cm，面密度260±10g/m2。
将编织成的纤维织物增强体浸渍酚醛树脂后制成防热构件，按GB/T10295试验标准测定出它的热导率为0.18W/m·K，按GB/T1447试验标准测定出它的弯曲强度为105MPa，弯曲模量为3.5GPa，按GJB323A试验标准测定出氧-乙炔质量烧蚀率为0.055g/s，按GB/T1463试验标准测定的密度1.37g/cm3。
实例3：聚丙烯腈基碳纤维-酚醛纤维平纹结构混织纤维织物增强体
选用规格为3K的聚丙烯腈基碳纤维纱和线密度为20Ne牌号为TY-04酚醛纤维纱。将聚丙烯腈基碳纤维纱用丙酮清洗，自然晾干后，再180℃烘25min。酚醛纤维纱用85℃热水浸泡30min，烘干后将6根TY-04酚醛纤维纱单纱合股。
将处理过的高硅氧玻璃纤维纱和酚醛纤维纱采用斜织工艺编织成斜纹布，编织参数为：高硅氧玻璃纤维纱与酚醛纤维纱纤维根数比例为1∶1，经纱密度8根/cm，纬纱密度8根/cm，面密度300±10g/m2。
将编织成的纤维织物增强体浸渍酚醛树脂后制成防热构件，按GB/T10295试验标准测定出它的热导率为0.40W/m·K，按GB/T1447试验标准测定出它的弯曲强度为380MPa，弯曲模量为15GPa，按GJB323A试验标准测定出氧-乙炔质量烧蚀率为0.030g/s，按GB/T1463试验标准测定的密度1.35g/cm3。
实例4：B型石英玻璃纤维-酚醛纤维角织网格布混织纤维织物增强体
选用线密度为85tex B型石英玻璃纤维纱和线密度为20Ne牌号为TY-04酚醛纤维纱作为经纬纱材料，线密度为15tex的对位芳纶纱作为角点捆绑材料。将B型石英玻璃纤维纱做K环氧处理。酚醛纤维纱用85℃热水浸泡30min，烘干后，将3根TY-04酚醛纤维纱单纱合股。对位芳纶纱用85℃热水浸泡30min，烘干，加捻(捻度40捻/m，S型)。
将处理过的高硅氧玻璃纤维纱、酚醛纤维和对位芳纶纱采用角织工艺编织成网格布，角点用芳纶线捆绑。编织参数：石英玻璃纤维纱与酚醛纤维纱纤维根数比例为1∶1，织物密度12.5目，面密度85±5g/m2。
将编织成的纤维织物增强体浸渍酚醛树脂后制成防热构件，按GB/T10295试验标准测定出它的热导率为0.20W/m·K，按GB/T1447试验标准测定出它的弯曲强度为210MPa，弯曲模量为5GPa，按GJB323A试验标准测定出氧-乙炔质量烧蚀率为0.051g/s，按GB/T1463试验标准测定的密度1.45g/cm3。

Claims (9)

1.一种防热抗烧蚀复合材料的增强体，其特征是由酚醛纤维纱和无机抗烧蚀纤维纱混织而成纤维织物。
2.如权利要求1所述的防热抗烧蚀复合材料的增强体，其特征是纤维织物是平纹、斜纹、缎纹、经编衬纬、2.5D立体或3D立体结构。
3.如权利要求1所述的防热抗烧蚀复合材料的增强体，其特征是无机抗烧蚀纤维纱是一种或多种无机抗烧蚀纤维纱混合而成。
4.如权利要求1所述的防热抗烧蚀复合材料的增强体，其特征是无机抗烧蚀纤维纱是编织工艺性好的无机抗烧蚀纤维。
5.如权利要求1或4所述的防热抗烧蚀复合材料的增强体，其特征是无机抗烧蚀纤维纱是石英玻璃纤维、高硅氧玻璃纤维、高强玻璃纤维、无碱玻璃纤维、聚丙烯腈基碳纤维、或黏胶基碳纤维中的一种或多种混合而成。
6.如权利要求1所述的防热抗烧蚀复合材料的增强体，其特征是B型石英玻璃纤维和3根单纱酚醛纤维纱合股以纤维根数1∶1的比例平织成平纹结构纤维织物增强体。
7.如权利要求1所述的防热抗烧蚀复合材料的增强体，其特征是高硅氧玻璃纤维纱和6根单纱酚醛纤维纱合股以纤维根数1∶2的比例斜织成的斜纹结构纤维织物增强体。
8.如权利要求1所述的防热抗烧蚀复合材料的增强体，其特征是聚丙烯腈基碳纤维纱和6根单纱酚醛纤维纱合股以纤维根数1∶1的比例斜织成的斜纹结构纤维织物增强体。
9.如权利要求1所述的防热抗烧蚀复合材料的增强体，其特征是B型石英玻璃纤维纱和3根单纱酚醛纤维纱合股以纤维根数1∶1的比例角织编织成网格布，其中的角点捆绑材料为对位芳纶纱。
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