CN108517102A - 一种轻质防隔热复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轻质防隔热复合材料及其制备方法，属于功能复合材料及工艺技术领域。采用无机纤维和有机纤维复合制备复合纤维，引入有机纤维后，纤维密度显著降低，同时保持了良好的增强作用。复合材料为短纤维增强酚醛树脂基复合材料，适用于模压、铺层等成型工艺方法。本发明针对短纤维/酚醛树脂基复合材料，引入轻质有机纤维和轻质填充粒子进行轻质化改性，制备的酚醛树脂基轻质防隔热复合材料适用于防隔热制品的模压、等静压或铺层成型。

Description

一种轻质防隔热复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种轻质防隔热复合材料及其制备方法，属于功能复合材料及工艺技术领域，所述的轻质是指防隔热复合材料的密度不大于1.3g/cm3。
背景技术
飞行器在高速和远程飞行过程中，会经受严重的气动热等复杂环境，要求飞行过程中飞行器本身具有良好的防热和隔热性能，以保证飞行器能够经受外部气动热环境和飞行器内部系统的正常运行。对于战略战术导弹武器，为了实现远程距离的飞行和打击，需要降低自身的重量。射程的增加也同时导致导弹系统将经受更加严重的气动热和大过载等复杂环境，对材料的隔热性能提出了更高的要求。
在飞行器的表面热防护材料中，酚醛树脂基复合材料是一种最常用的防热材料。酚醛树脂基复合材料的密度通常在1.6g/cm3以上，热导率在0.5W.m-1.K-1以上。在飞行器对防热材料轻质、隔热要求提高的情况下，酚醛树脂基复合材料已无法满足飞行器的使用要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种轻质防隔热复合材料及其制备方法，通过引入轻质有机纤维，设计并制备了轻质纤维，并采用轻质纤维、酚醛树脂、轻质填充粒子制备了短纤维轻质预浸料，进一步通过设置成型工艺参数，制备轻质复合材料。复合材料具有较低的密度和良好的隔热性能(低热导率)，易于成型，并具有良好的力学性能与耐高温性能。
本发明的技术解决方案是：
一种轻质防隔热复合材料，该复合材料包括轻质纤维、酚醛树脂和轻质填充粒子；以所述的复合材料的总质量为100％计算，其中轻质纤维的质量百分含量为10％～40％，酚醛树脂的质量百分含量为53％～85％，轻质填充粒子质量百分含量为2％～10％；
所述的轻质纤维包括有机纤维和无机纤维，有机纤维与无机纤维可以任意比例混合，优选轻质纤维中的有机纤维的质量百分含量为20％-80％；
所述的有机纤维为聚酯纤维、芳纶纤维、芳砜纶纤维、聚芳噁二唑纤维、聚苯并咪唑纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维的一种或两种以上的混合；
所述的无机纤维为石英玻璃纤维、高硅氧纤维、玻璃纤维的一种或两种以上的混合；
所述的酚醛树脂为镁酚醛、钡酚醛、氨酚醛、硼酚醛的一种或两种以上的混合；
所述的轻质填充粒子为空心玻璃微球、酚醛空心小球的一种或两种的混合；
所述的轻质填充粒子的直径为10～200μm。
一种轻质防隔热复合材料的制备方法，该方法的步骤包括：
(1)将有机纤维和无机纤维进行加捻混纺工艺复合，得到轻质纤维，混纺时纤维股数4～30股；
(2)将步骤(1)得到的复合后的轻质纤维短切得到短切轻质纤维，短切轻质纤维的密度为1.5～1.85g/cm3，短切轻质纤维的长度为6～60mm；
(3)将轻质填充粒子与酚醛树脂溶液进行均匀混合，得到混合物；
(4)将步骤(2)得到的短切轻质纤维与步骤(3)得到的混合物进行均匀混合、分散、干燥后得到轻质预浸料，所得到的轻质预浸料中挥发份的质量含量为2％-15％；
(5)采用模压、等静压或铺层工艺，将步骤(4)得到的轻质预浸料均匀装入模具中进行固化，固化结束后得到轻质防隔热复合材料，得到轻质防隔热复合材料的密度为0.9～1.3g/cm3，热导率0.2～0.4W/(m.K)；固化程序为：首先在80～100℃加压1.5～10MPa，然后升温至130～180℃，保温时间3～7h。
本发明的有益效果：
本发明提供的轻质复合材料及其制备方法，将短纤维增强酚醛树脂基防热复合材料的密度降低到0.9g/cm3水平，复合材料具有较低的密度和热导率，适用于模压、等静压、铺层工艺，为导弹表面的防隔热系统提供了更高效轻质的材料方案。一种轻质防隔热复合材料及其制备方法，包括如下步骤：(1)根据复合材料密度设计要求，采用有机纤维和无机纤维复合，制备不同密度的短切轻质纤维；(2)将轻质纤维与酚醛树脂和轻质填充粒子混合均匀，制备不同密度的轻质预浸料；(3)采用轻质预浸料，设计成型工艺参数，通过模压、等静压、铺层等成型工艺方法制备轻质防隔热复合材料。采用无机纤维和有机纤维复合制备复合纤维，引入有机纤维后，纤维密度显著降低，同时保持了良好的增强作用。复合材料为短纤维增强酚醛树脂基复合材料，适用于模压、铺层等成型工艺方法。本发明针对短纤维/酚醛树脂基复合材料，引入轻质有机纤维和轻质填充粒子进行轻质化改性，制备的酚醛树脂基轻质防隔热复合材料适用于防隔热制品的模压、等静压或铺层成型。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种轻质防隔热复合材料，该复合材料包括轻质纤维、酚醛树脂和轻质填充粒子；以所述的复合材料的总质量为100％计算，其中轻质纤维的质量百分含量为30％，酚醛树脂的质量百分含量为65％，轻质填充粒子质量百分含量为5％；
所述的有机纤维为芳砜纶纤维；
所述的无机纤维为石英玻璃纤维；
所述的酚醛树脂为钡酚醛树脂；
所述的轻质填充粒子为空心玻璃微球；
所述的轻质填充粒子的直径为10～200μm。
一种轻质防隔热复合材料的制备方法，轻质防隔热复合材料的设计密度为1.3g/cm3，该方法的步骤包括：
(1)将芳砜纶纤维和石英玻璃纤维进行20股混纺复合，得到轻质纤维；
(2)将步骤(1)得到的复合后的轻质纤维短切得到短切轻质纤维，短切轻质纤维的密度为1.85g/cm3，短切轻质纤维的长度为30mm；
(3)将空心玻璃微球与钡酚醛树脂溶液进行均匀混合，得到混合物；
(4)将步骤(2)得到的短切轻质纤维与步骤(3)得到的混合物进行均匀混合、分散、干燥后得到轻质预浸料，所得到的轻质预浸料中挥发份的质量含量为6.4％；
(5)采用模压成型工艺，将步骤(4)得到的轻质预浸料均匀装入平板模具中在80℃加压5MPa，然后升温至150℃，固化4h，固化结束后得到轻质防隔热复合材料。
实施例2
一种轻质防隔热复合材料，该复合材料包括轻质纤维、酚醛树脂和轻质填充粒子；以所述的复合材料的总质量为100％计算，其中轻质纤维的质量百分含量为15％，酚醛树脂的质量百分含量为81％，轻质填充粒子质量百分含量为4％；
所述的有机纤维为聚芳噁二唑纤维；
所述的无机纤维为石英玻璃纤维；
所述的酚醛树脂为钡酚醛树脂；
所述的轻质填充粒子为空心玻璃微球；
所述的轻质填充粒子的直径为10～200μm。
一种轻质防隔热复合材料的制备方法，轻质防隔热复合材料的设计密度为0.9g/cm3，该方法的步骤包括：
(1)将聚芳噁二唑纤维和石英玻璃纤维进行20股混纺复合，得到轻质纤维；
(2)将步骤(1)得到的复合后的轻质纤维短切得到短切轻质纤维，短切轻质纤维的密度为1.85g/cm3，短切轻质纤维的长度为30mm；
(3)将空心玻璃微球与钡酚醛树脂溶液进行均匀混合，得到混合物；
(4)将步骤(2)得到的短切轻质纤维与步骤(3)得到的混合物进行均匀混合、分散、干燥后得到轻质预浸料，所得到的轻质预浸料中挥发份的质量含量为8.4％；
(5)采用模压成型工艺，将步骤(4)得到的轻质预浸料均匀装入平板模具中在80℃加压5MPa，然后升温至140℃，固化7h，固化结束后得到轻质防隔热复合材料。
表1为实施例1和实施例2得到的轻质防隔热复合材料的性能；
表1轻质防隔热复合材料
技术参数 实施例1 实施例2 测试方法
复合材料密度(g/cm3) 1.28～1.31 0.91～0.93 GB/T 1463-2005
复合材料拉伸强度(MPa) 31.6 16.5 GB/T 1447-2005
复合材料断裂延伸率(％) 0.36 0.37 GB/T 1447-2005
复合材料压缩强度(MPa) 161.1 106.0 GB/T 1448-2005
复合材料剪切强度(MPa) 75.9 48.0 GB/T 1450.2-2005
热导率(W.m-1.K-1，150℃) 0.49 0.24 GB/T 10295-2008

Claims (10)

1.一种轻质防隔热复合材料，其特征在于：该复合材料包括轻质纤维、酚醛树脂和轻质填充粒子；以所述的复合材料的总质量为100％计算，其中轻质纤维的质量百分含量为10％～40％，酚醛树脂的质量百分含量为53％～85％，轻质填充粒子质量百分含量为2％～10％。
2.根据权利要求1所述的一种轻质防隔热复合材料，其特征在于：所述的轻质纤维包括有机纤维和无机纤维，有机纤维与无机纤维可以任意比例混合，优选轻质纤维中的有机纤维的质量百分含量为20％-80％。
3.根据权利要求1所述的一种轻质防隔热复合材料，其特征在于：所述的有机纤维为聚酯纤维、芳纶纤维、芳砜纶纤维、聚芳噁二唑纤维、聚苯并咪唑纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维的一种或两种以上的混合。
4.根据权利要求1所述的一种轻质防隔热复合材料，其特征在于：所述的无机纤维为石英玻璃纤维、高硅氧纤维、玻璃纤维的一种或两种以上的混合。
5.根据权利要求1所述的一种轻质防隔热复合材料，其特征在于：所述的酚醛树脂为镁酚醛、钡酚醛、氨酚醛、硼酚醛的一种或两种以上的混合。
6.根据权利要求1所述的一种轻质防隔热复合材料，其特征在于：所述的轻质填充粒子为空心玻璃微球、酚醛空心小球的一种或两种的混合。
7.根据权利要求1所述的一种轻质防隔热复合材料，其特征在于：所述的轻质填充粒子的直径为10～200μm。
8.一种轻质防隔热复合材料的制备方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)将有机纤维和无机纤维进行复合，得到轻质纤维；
(2)将步骤(1)得到的复合后的轻质纤维短切得到短切轻质纤维；
(3)将轻质填充粒子与酚醛树脂溶液进行均匀混合，得到混合物；
(4)将步骤(2)得到的短切轻质纤维与步骤(3)得到的混合物进行均匀混合、分散、干燥后得到轻质预浸料；
(5)采用模压、等静压或铺层工艺，将步骤(4)得到的轻质预浸料均匀装入模具中进行固化，固化结束后得到轻质防隔热复合材料。
9.根据权利要求1所述的一种轻质防隔热复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，将有机纤维和无机纤维进行复合时采用加捻混纺工艺复合；
所述的步骤(2)中，短切轻质纤维的密度为1.5～1.85g/cm3，短切轻质纤维的长度为6～60mm；
所述的步骤(4)中，所得到的轻质预浸料中挥发份的质量含量为2％-15％。
10.根据权利要求1所述的一种轻质防隔热复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，固化程序为：首先在80～100℃加压1.5～10MPa，然后升温至130～180℃，保温时间3～7h。
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