CN105061981A - 一种酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料及其制备方法，它涉及一种陶瓷纤维骨架复合材料及其制备方法。它解决了目前陶瓷纤维刚性隔热板在长时间工作的情况下，热量会缓慢聚集并穿透陶瓷纤维刚性隔热板传导至飞行器或设备内部，而且力学性能较低的问题。复合材料由酚醛树脂和陶瓷纤维骨架组成。制备方法：一、获得酚醛树脂溶液；二、真空浸渍；三、干燥、固化。采用本发明酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料制成陶瓷纤维刚性隔热板，可明显提高其力学性能。

Description

一种酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷纤维骨架复合材料及其制备方法。
背景技术
传统的陶瓷纤维刚性隔热板具有孔隙率高、密度低，以及优良的高温尺寸稳定性和辐射散热、隔热性能。陶瓷纤维刚性隔热板在高温环境下服役的飞行器和设备热防护，以及石化、冶金等各种窑炉的背衬保温和高温加热设备背衬保温、隔热等方面取得了广泛应用。但如果在长时间工作的情况下，热量会缓慢聚集并穿透陶瓷纤维刚性隔热板传导至飞行器或设备内部，而且陶瓷纤维刚性隔热板的力学性能较差。
发明内容
本发明是为了解决目前陶瓷纤维刚性隔热板在长时间工作的情况下，热量会缓慢聚集并穿透陶瓷纤维刚性隔热板传导至飞行器或设备内部，而且力学性能较差的问题，而提供的一种酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料及其制备方法。
本发明酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料按质量百分比由20％～80％的酚醛树脂和余量的陶瓷纤维骨架组成；含有大量纳米或微米级孔的酚醛树脂均匀填充在陶瓷纤维骨架的纤维之间，并在纤维表面形成均匀膜层。
上述酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料按以下步骤进行制备：
一、将液体酚醛树脂、溶剂和固化剂混合搅拌至澄清透明并抽真空脱泡，获得酚醛树脂溶液；其中，液体酚醛树脂与溶剂的体积比为1:1～4，固化剂用量为液体酚醛树脂质量的2％～20％；
二、将陶瓷纤维骨架放入步骤一制备的酚醛树脂溶液中真空浸渍30～120min；
三、将浸渍酚醛树脂的陶瓷纤维骨架取出，置于70～100℃环境中干燥24～72h，再在150～180℃温度下固化，固化后自然冷却至室温，既得到酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料。
本发明将低密度陶瓷纤维骨架浸渍在液体酚醛树脂中能够降低陶瓷纤维骨架多孔结构的平均孔隙尺寸，可以有效降低辐射传热和气相传热，在保留陶瓷纤维骨架低密度的前提下，提高其辐射散热、隔热性能和力学性能，以满足各类防热应用中对材料轻质、高强和高热绝缘的要求。
采用本发明酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料制成陶瓷纤维刚性隔热板，可明显提高其力学性能。
附图说明
图1是具体实施方式二中莫来石短切纤维多孔骨架的宏观照片。
图2是实施例1中用莫来石短切纤维多孔骨架制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的宏观照片。
图3是具体实施方式二中莫来石短切纤维多孔骨架放大倍数为800倍的扫描电子显微形貌图。
图4是实施例1中用莫来石短切纤维多孔骨架制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料放大倍数为2500倍的扫描电子显微形貌图。
图5是实施例1中用莫来石短切纤维多孔骨架制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料压缩应力-压缩应变曲线图。
图6是实施例1制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的N2吸附-脱附等势线图。
图7是实施例1制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的孔径分布曲线图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料按质量百分比由20％～80％的酚醛树脂和余量的陶瓷纤维骨架组成；含有大量纳米或微米级孔的酚醛树脂均匀填充在陶瓷纤维骨架的纤维之间，并在纤维表面形成均匀膜层。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：陶瓷纤维骨架为莫来石短切纤维多孔骨架。其它与实施方式一相同。
本实施方式莫来石短切纤维多孔骨架制备方法：
(1)将短切莫来石纤维投入到足量水中，并加入聚丙烯酰胺作为纤维分散剂，搅拌均匀后加入氧化硅和氮化硼粉体，继续搅拌形成均匀的水性浆料；
(2)将水性浆料注入到模具中，之后对上部活塞加压，并排出水分直至到达预定密度位置，静置待水分充分排干；
(3)将排干水分的模具放入烘箱中干燥处理(温度：100℃，时间：24h)，直至质量不发生变化；
(4)将干燥处理得到的短切莫来石纤维、氧化硅和氮化硼粉体混合物转移至高温炉中无压烧结(温度：1500℃；加热速率：10℃/min；保温时间：1～3h)，氧化硅和氮化硼在经过高温处理后烧结为硼硅玻璃，获得莫来石短切纤维多孔骨架(如图1所示)。
本实施方式莫来石短切纤维多孔骨架放大倍数为800倍的扫描电子显微形貌如图3所示。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：陶瓷纤维骨架为硅酸铝纤维、氧化铝纤维或硅酸铝纤维构成三维编织体的陶瓷纤维骨架。其它与实施方式一相同。
本实施方式中三维编织体可采用专用纤维编织机照程序进行编织，或购买现成品。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三的不同点是：纤维长度为3～5mm。其它与实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料按以下步骤进行制备：
一、将液体酚醛树脂、溶剂和固化剂混合搅拌至澄清透明并抽真空脱泡，获得酚醛树脂溶液；其中，液体酚醛树脂与溶剂的体积比为1:1～4，固化剂用量为液体酚醛树脂质量的2％～20％；
二、将陶瓷纤维骨架放入步骤一制备的酚醛树脂溶液中真空浸渍30～120min；
三、将浸渍酚醛树脂的陶瓷纤维骨架取出，置于70～100℃环境中干燥24～72h，再在150～180℃温度下固化，固化后自然冷却至室温，既得到酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五的不同点是：陶瓷纤维骨架为莫来石短切纤维多孔骨架。其它步骤及参数与实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五的不同点是：陶瓷纤维骨架为硅酸铝纤维、氧化铝纤维或硅酸铝纤维构成三维编织体的陶瓷纤维骨架。其它步骤及参数与实施方式五相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一的不同点是：步骤一中溶剂为甲基异丁酮、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲苯或甲苯。其它步骤及参数与实施方式五至七之一相同。
二甲苯和甲苯具有挥发性，因此其余四种溶剂使用更为适宜。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一的不同点是：步骤一中固化剂为苯磺酰氯、对甲苯磺酰氯或硫酸乙酯。其它步骤及参数与实施方式五至八之一相同。
实施例1
酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料按以下步骤进行制备：
一、将液体酚醛树脂、二甲基亚砜(溶剂)和硫酸乙酯(固化剂)混合搅拌至澄清透明并抽真空脱泡，获得酚醛树脂溶液；其中，液体酚醛树脂与二甲基亚砜的体积比为1:4，硫酸乙酯用量为液体酚醛树脂质量的2％；
二、将莫来石短切纤维多孔骨架(密度为0.1gcm-3)放入步骤一制备的酚醛树脂溶液中真空浸渍30min；
三、将浸渍酚醛树脂的莫来石短切纤维多孔骨架取出，置于100℃环境中干燥24h，再在180℃温度下固化，固化后自然冷却至室温，既得到酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料。
本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料(如图2所示)的密度为0.25gcm-3，压缩强度为0.6MPa，热导率为0.05Wm-1K-1。
经计算本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料中酚醛树脂和莫来石短切纤维多孔骨架的质量比为1.5:1。
本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的扫描电子显微形貌如图4所示，在图中可以清楚地看到本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料组织成分均匀，含大量纳米或微米级孔的多孔酚醛均匀填充在莫来石短切纤维多孔骨架的纤维之间(N2吸附-脱附测试，酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的N2吸附-脱附等势线如图6所示，孔径分布曲线如图7所示)，并在纤维表面形成均匀膜层。
实施例2
本实施例与实施例1的不同点在于步骤一液体酚醛树脂与溶剂的体积比为1:1。
步骤二中莫来石短切纤维多孔骨架放入步骤一制备的酚醛树脂溶液中真空浸渍90min。
本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的密度为0.47gcm-3，压缩强度为1.8MPa，热导率为0.11Wm-1K-1。
经计算本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料中酚醛树脂和莫来石短切纤维多孔骨架的质量比为3.7:1。
实施例3
本实施例与实施例1的不同点在于步骤一固化剂用量为液体酚醛树脂质量的20％。
本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的密度为0.25gcm-3，压缩强度为0.6MPa，热导率为0.05Wm-1K-1。
经计算本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料中酚醛树脂和莫来石短切纤维多孔骨架的质量比为1.5:1。
实施例4
本实施例与实施例1的不同点在于步骤三将浸渍酚醛树脂的莫来石短切纤维多孔骨架取出，置于70℃环境中干燥72h。
本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的密度为0.25gcm-3，压缩强度为0.6MPa，热导率为0.05Wm-1K-1。
经计算本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料中酚醛树脂和莫来石短切纤维多孔骨架的质量比为1.5:1。
实施例5
本实施例与实施例1的不同点在于步骤三在150℃温度下固化。
本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的密度为0.25gcm-3，压缩强度为0.6MPa，热导率为0.05Wm-1K-1。
经计算本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料中酚醛树脂和莫来石短切纤维多孔骨架的质量比为1.5:1。
实施例6
本实施例与实施例1的不同点在于步骤二将密度为0.5gcm-3莫来石短切纤维多孔骨架放入步骤一制备的酚醛树脂溶液中真空浸渍90min。
本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的密度为0.63gcm-3，压缩强度为2.4MPa，热导率为0.14Wm-1K-1。
经计算本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料中酚醛树脂和莫来石短切纤维多孔骨架的质量比为0.26:1。
实施例7
本实施例与实施例1的不同点在于步骤一液体酚醛树脂与溶剂的体积比为1:1；步骤二将密度为0.5gcm-3莫来石短切纤维多孔骨架放入步骤一制备的酚醛树脂溶液中真空浸渍90min。
步骤二中莫来石短切纤维多孔骨架放入步骤一制备的酚醛树脂溶液中真空浸渍90min。
本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的密度为0.82gcm-3，压缩强度为3.5MPa，热导率为0.19Wm-1K-1。
经计算本实施例制备的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料中酚醛树脂和莫来石短切纤维多孔骨架的质量比为0.64:1。

Claims (9)

1.一种酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料，其特征在于酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料按质量百分比由20％～80％的酚醛树脂和余量的陶瓷纤维骨架组成；含有大量纳米或微米级孔的酚醛树脂均匀填充在陶瓷纤维骨架的纤维之间，并在纤维表面形成均匀膜层。
2.根据权利要求1所述的一种酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料，其特征在于陶瓷纤维骨架为莫来石短切纤维多孔骨架。
3.根据权利要求1所述的一种酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料，其特征在于陶瓷纤维骨架为硅酸铝纤维、氧化铝纤维或硅酸铝纤维构成三维编织体的陶瓷纤维骨架。
4.根据权利要求2或3所述的一种酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料，其特征在于纤维长度为3～5mm。
5.如权利要求1所述酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的制备方法，其特征在于酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料按以下步骤进行制备：
一、将液体酚醛树脂、溶剂和固化剂混合搅拌至澄清透明并抽真空脱泡，获得酚醛树脂溶液；其中，液体酚醛树脂与溶剂的体积比为1:1～4，固化剂用量为液体酚醛树脂质量的2％～20％；
二、将陶瓷纤维骨架放入步骤一制备的酚醛树脂溶液中真空浸渍30～120min；
三、将浸渍酚醛树脂的陶瓷纤维骨架取出，置于70～100℃环境中干燥24～72h，再在150～180℃温度下固化，固化后自然冷却至室温，既得到酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料。
6.根据权利要求5所述的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的制备方法，其特征在于陶瓷纤维骨架为莫来石短切纤维多孔骨架。
7.根据权利要求5所述的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的制备方法，其特征在于陶瓷纤维骨架为硅酸铝纤维、氧化铝纤维或硅酸铝纤维构成三维编织体的陶瓷纤维骨架。
8.根据权利要求5所述的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中溶剂为甲基异丁酮、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲苯或甲苯。
9.根据权利要求5所述的酚醛浸渍陶瓷纤维骨架复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中固化剂为苯磺酰氯、对甲苯磺酰氯或硫酸乙酯。
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