CN110643142A - 一种表面导电轻质复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种表面导电轻质复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN110643142A
CN110643142A CN201910954378.8A CN201910954378A CN110643142A CN 110643142 A CN110643142 A CN 110643142A CN 201910954378 A CN201910954378 A CN 201910954378A CN 110643142 A CN110643142 A CN 110643142A
Authority
CN
China
Prior art keywords
composite material
conductive
phenolic resin
reaction
fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910954378.8A
Other languages
English (en)
Inventor
龙东辉
张亚运
吴克德
曹俊翔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
East China University of Science and Technology
Original Assignee
East China University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by East China University of Science and Technology filed Critical East China University of Science and Technology
Priority to CN201910954378.8A priority Critical patent/CN110643142A/zh
Publication of CN110643142A publication Critical patent/CN110643142A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
    • C08K7/02—Fibres or whiskers
    • C08K7/04—Fibres or whiskers inorganic
    • C08K7/06—Elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G8/00—Condensation polymers of aldehydes or ketones with phenols only
    • C08G8/28—Chemically modified polycondensates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
    • C08K7/02—Fibres or whiskers
    • C08K7/04—Fibres or whiskers inorganic
    • C08K7/10—Silicon-containing compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/001—Conductive additives
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L2201/00—Properties
    • C08L2201/04—Antistatic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L2201/00—Properties
    • C08L2201/08—Stabilised against heat, light or radiation or oxydation

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)

Abstract

本发明涉及一种表面导电轻质复合材料及其制备方法和应用，该材料以杂化酚醛树脂为基体，以表面含有导电纤维的预制体为增强体，通过低压RTM浸渍、溶胶‑凝胶反应、常压干燥等步骤制备得到，通过对导电纤维与非导电纤维在空间上的多种分布形式混编成纤维预制体，通过杂化酚醛树脂的纳米孔结构构筑，形成具有导电功能和防隔热一体化的复合材料。与现有技术相比，本发明具有可调控的密度，优异的表面电导率，低的室温热导率，优异的耐烧蚀性能，良好的机械性能，能够满足高超声速飞行器对防热材料长时间耐氧化、低烧蚀、轻质隔热、表面导电的特定需求。

Description

一种表面导电轻质复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及复合材料领域，尤其是涉及一种表面导电轻质复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
防热问题是航天领域中不容忽视的关键技术问题。高速飞行器所遭遇的恶劣气动热环境是其在飞行过程中无法避免而又必须克服的难关。热防护技术可使飞行器内的保护对象在面对外部气动加热所导致的高温恶劣环境中能正常发挥作用，是保证高速飞行器正常运转的关键技术之一。
传统低密度热防护材料大多是以酚醛树脂为基体，以纤维、微球等作为增强或填充材料的蜂窝状结构设计，具有密度较高、热导率高等不足，并且材料制备工艺复杂、材料的拼接难度大，难以形成一体化的热防护结构。针对导弹的新型低密度、导电、低热导率、微烧蚀的热防护材料的研究基本空白。
战术导弹结构紧凑、体积小，要求隔热材料具有密度低，在总质量不变的情况下以最大提升导弹的有效射程。目前，弹体的防热大多采用被动式热防护。导弹在飞行过程中面临严峻的气动加热环境，一般具有较高的飞行马赫数(Ma＝4-10)，这对其热防护系统提出更高的要求。需要能够在高温、大热流和长时有氧飞行条件下具有很好的防隔热效果。
战术导弹具有高精度运动目标定位及精确制导的能力，需安装特殊的天线以满足高效的无线电通信。然而，现有战术导弹除天线罩之外的其他结构所用热防护材料多为有机材料，其对电磁波吸收能力强，严重影响导弹上关键天线的性能。因此，开发具有导电性对电磁波吸收作用弱且兼顾防隔热性能的新型隔热材料是弹体防隔热研究新的需求方向。
专利申请CN106496927A公开了一种低密度烧蚀隔热型复合材料及其制备方法，该复合材料由酚醛气凝胶和柔性纤维毡或纤维编制体复合而成，宏观形貌和微观结构可控，密度低且强度高，烧蚀隔热性能优异，具有一定的承载能力。此类低密度复合材料具有优异的微烧蚀/隔热性能。同时制备工艺简单、成本低，复合材料可加工性强，可以有效地实现高超音速航空航天飞行器的大面积烧蚀-隔热-承载一体化热防护系统。但是该材料并未对其表面导电性做出研究。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种通过改进纤维预制体的设计以及杂化酚醛树脂的纳米孔结构设计的表面导电轻质复合材料及其制备方法，用以满足高超声速飞行器表面导电、轻质、防隔热一体化的应用需求。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种表面导电轻质复合材料，该材料包括以下质量百分比的组分：基体20-80％，增强体20-80％，所述的增强体为导电纤维和非导电纤维混编或混合而成的纤维预制体，其中，导电纤维占增强体的20-100ωt％。
进一步地，所述的导电纤维包括碳纤维、镀镍碳纤维、镀银碳纤维、金属铜纤维或不锈钢纤维中的一种或几种，优选碳纤维；所述的非导电纤维包括石英纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维或玻璃纤维中的一种或几种；所述混编的结构形式包括准三维针刺结构、纤维布铺层、针刺纤维毡或2.5D编织结构的一种或多种，其中，导电纤维分布在增强体的表层和内层中，并占增强体表层的60-100ωt％。
进一步地，所述的针刺纤维毡，具体为将导电纤维和非导电纤维均匀混合后，通过针刺工艺制备成纤维预制体，其中表面为纯导电纤维网胎。
进一步地，所述的准三维针刺结构，具体为将导电纤维和非导电纤维按一定比例通过准三维针刺工艺，制备成纤维预制体，其结构形式为一层碳纤维布与一层石英纤维网胎相间复合。
进一步地，所述的准三维针刺结构，还可以为，将导电纤维和非导电纤维按一定比例通过准三维针刺工艺，制备成纤维预制体，其结构形式为上半部分采用采用一层导电纤维布复合一层导电纤维网胎，下半部分采用一层非导电纤维布复合一层非导电纤维网胎。
进一步地，所述的2.5D编织结构具体指，将导电纤维和非导电纤维按一定比例通过2.5D机织形式，制备成纤维预制体。
进一步地，所述增强体的厚度为0.5-100mm，密度为120-800kg/m3。
进一步地，所述的基体为杂化酚醛树脂。
进一步地，所述的杂化酚醛树脂采用以下方法制得：
(1)在反应器中加入酚、醛和催化剂进行反应，得到酚醛树脂；
(2)加入有机硅前驱体继续反应，并调节pH；
(3)反应结束后抽真空，得到杂化酚醛树脂。
进一步地，步骤(1)中，所述的酚和醛的摩尔比为(0.5-2)：1，催化剂的摩尔量为酚的4-6％，所述反应的温度为65-75℃，时间为0.5-2h；所述的酚包括苯酚、间甲酚或间苯二酚中的一种或两种；所述的醛包括甲醛或糠醛；所述的催化剂包括草酸或盐酸；步骤(2)中，所述的有机硅前驱体和酚醛树脂的质量比为(0.5-1)：1，所述的反应的温度为80-95℃，时间为2-4h，反应的pH＝6.5-7.5；所述的有机硅前驱体包括甲基三甲氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、甲基乙烯基二氯硅烷、苯基三甲氧基硅烷或甲基苯基二氯硅烷中的一种或几种。
一种上述的表面导电轻质复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体溶液配制：通过溶剂溶解基体并加入固化剂，得到基体溶液；
(2)低压RTM浸渍：将增强体置于模具中，采用低压RTM注射浸渍法，将基体溶液完全浸渍于增强体；
(3)溶胶-凝胶反应：将模具密封，进行溶胶-凝胶反应，反应结束后冷却至室温；
(4)复合材料的干燥：将模具打开，然后将复合材料置于常压环境下干燥，得到表面导电轻质复合材料。
进一步地，步骤(1)中，所述的溶剂包括正丁醇、异丙醇、乙醇或乙二醇中的一种或几种，所述的基体在基体溶液中的浓度为10-50ωt％，所述的固化剂为六亚甲基四胺，添加量为基体质量的9-12％；步骤(2)中，所述的低压RTM浸渍是指，将增强体置于模具中，在不大于0.5MPa的压力下注射基体溶液，使基体溶液完全浸渍增强体；步骤(3)中，所述反应的温度为60-180℃，时间为8-96h；步骤(4)中，所述干燥的温度为20-120℃，时间为6-48h。
一种上述的表面导电轻质复合材料的应用，该复合材料应用在高超声速飞行器的热防护材料上。
进一步地，所述的高超声速飞行器包括战术导弹、航天飞机或高超音速飞机。
采用上述方法制备得到的表面导电轻质防隔热复合材料，以表面含有导电纤维的预制体为增强体，以杂化酚醛树脂纳米颗粒为基体，通过溶胶-凝胶相分离实现纳米网络结构的构筑，其杂化酚醛颗粒的质量分数为20-80％，所述的纤维预制体的质量分数为20-80％。
本发明制作得到的复合材料具有优异的表面导电性能，其表面间隔2mm间的电阻值在0.1-5Ω。电弧风洞烧蚀后，其表面电阻值基本不变。此外，本发明制作得到的复合材料密度在0.3-1.2g/cm3，室温热导率在0.03-0.08W·m-l·K-1，弯曲强度在2.0-100.0MPa，3000℃、10s的烧蚀条件下，质量烧蚀率在0.029-0.100g/s，线烧蚀率在0.242-0.806mm/s，2000℃、60s的烧蚀条件下，质量烧蚀率在0.0033-0.008g/s，线烧蚀率在0.0117-0.0560mm/s。
有机硅在高温下会与酚醛树脂和纤维发生反应，生成陶瓷化的保护层，隔绝空气中的氧气，防止材料被氧化。
杂化酚醛树脂合成过程如下：
Figure BDA0002226787530000041
Figure BDA0002226787530000051
有机硅的Si-O-Si在高温下能与纤维和酚醛树脂反应生成SiC陶瓷层，陶瓷层覆盖在纳米颗粒表面，隔绝氧气，防止材料被氧化。
其宏观形貌和微观结构可控，表面高导电率，轻质且力学性能优异，具有优异的耐烧蚀、隔热性能。同时制备工艺简单、成本低，复合材料可加工性强，能够满足高超声速飞行器对防热材料长时间耐氧化、低烧蚀、轻质隔热、表面导电的特定需求。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明由杂化酚醛颗粒和纤维预制体复合而成，宏观形貌和微观结构可控；
(2)表面高导电率，可达0.02S/m，能减弱对电磁波吸收能力，克服电磁波对导弹上关键天线性能的影响，进而能够满足高超声速飞行器表面导电的特定需求；
(3)轻质，具有良好的隔热性能，密度低至0.3g/cm3，室温热导率低至0.03W·m-l·K-1；
(4)力学性能优异，弯曲强度可达100.0MPa；
(5)具有优异的耐烧蚀性，抗氧化性，能够满足高超声速飞行器对防热材料长时间耐氧化、低烧蚀的特殊需要；
(6)制备工艺简单、成本低，材料可加工性强。
附图说明
图1为实施例1中表面导电防隔热复合材料的表面照片；
图2为实施例1中表面导电防隔热复合材料的侧面照片；
图3为实施例2中表面导电防隔热复合材料的表面照片；
图4为实施例2中表面导电防隔热复合材料的侧面照片；
图5为实施例3中表面导电防隔热复合材料的表面照片；
图6为实施例3中表面导电防隔热复合材料的侧面照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
将短切碳纤维和石英纤维按照4：1的质量比均匀混合，通过针刺工艺制备成密度为0.2g/cm3的纤维预制体，其中表面为纯碳纤维网胎。
在反应器中加入苯酚、甲醛和盐酸进行反应，苯酚与甲醛摩尔比为1：1，盐酸为苯酚5％的摩尔量，得到酚醛树脂；加入甲基三甲氧基硅烷继续反应，并调节pH为7，抽真空，得到杂化酚醛树脂。然后分别称取一定量的杂化酚醛树脂和异丙醇，加入到搅拌釜中，机械搅拌直至完全溶解，最后再加入六亚甲基四胺，继续搅拌1h得到杂化酚醛树脂浸渍液，其中酚醛树脂、异丙醇、六亚甲基四胺、甲基三甲氧基硅烷溶液的质量比例为25：75：3.64：12.5，此时杂化酚醛树脂在溶液中的浓度为25ω％。
将该纤维预制体裁剪成一份大小为150mm×150mm×10mm，平铺在定制的不锈钢模具中，采用低压RTM灌注方式将杂化酚醛树脂溶液在常温下缓慢地注入模具中，然后密封模具。将模具放置于85℃烘箱中，经溶胶-凝胶反应48h后，取出样品后，在50℃常压下干燥48h，制备出表面导电轻质防隔热材料，如图1-2所示。
该复合材料密度为510Kg/m3，表面电阻率为3.6Ω/cm，室温热导率为0.042W·m-l·K-1，弯曲强度为17MPa，拉伸强度19MPa，在2000℃、30s的烧蚀条件下，质量烧蚀率为0.021g/s，线烧蚀率为0.21mm/s。
实施例2
将碳纤维和石英纤维按照3：1的质量比例，通过准三维针刺工艺，制备成密度0.4g/cm3的纤维预制体，其中碳纤维在表面层的质量含量为75％，预制体的结构形式为一层碳纤维布复合一层石英纤维网胎。
在反应器中加入苯酚、甲醛和盐酸进行反应，苯酚与甲醛摩尔比为1：1，盐酸为苯酚5％的摩尔量，得到酚醛树脂；加入甲基三甲氧基硅烷继续反应，并调节pH为7，抽真空，得到杂化酚醛树脂。然后分别称取一定量的杂化酚醛树脂和异丙醇，加入到搅拌釜中，机械搅拌直至完全溶解，最后再加入六亚甲基四胺，继续搅拌1h得到杂化酚醛树脂浸渍液，其中酚醛树脂、异丙醇、六亚甲基四胺、甲基三甲氧基硅烷溶液的质量比例为30：70：4.5：15，此时杂化酚醛树脂在溶液中的浓度为30ω％。
将该纤维预制体裁剪成一份大小为150mm×150mm×10mm，平铺在定制的不锈钢模具中，采用低压RTM灌注方式将杂化酚醛树脂溶液在常温下缓慢地注入模具中，然后密封模具。将模具放置于85℃烘箱中，经溶胶-凝胶反应48h后，取出样品后，在80℃常压下干燥48h，制备出表面导电轻质防隔热材料，如图3-4所示。
该复合材料密度为650Kg/m3，表面电阻率为4.5Ω/cm，室温热导率为0.062W·m-l·K-1，弯曲强度为30MPa，拉伸强度35MPa，在2000℃、30s的烧蚀条件下，质量烧蚀率为0.021g/s，线烧蚀率为0.05mm/s。
实施例3
将碳纤维和石英纤维按照1：1的质量比例，通过准三维针刺工艺，制备成密度0.4g/cm3的纤维预制体，其中碳纤维在表面层的质量含量为100％，其结构形式为上半部分采用采用一层碳纤维布复合一层碳纤维网胎，下半部分采用一层石英纤维布复合一层石英纤维网胎。
在反应器中加入苯酚、甲醛和盐酸进行反应，苯酚与甲醛摩尔比为1：1，盐酸为苯酚5％的摩尔量，得到酚醛树脂；加入甲基三甲氧基硅烷继续反应，并调节pH为7，抽真空，得到杂化酚醛树脂。然后分别称取一定量的杂化酚醛树脂和异丙醇，加入到搅拌釜中，机械搅拌直至完全溶解，最后再加入六亚甲基四胺，继续搅拌1h得到杂化酚醛树脂浸渍液，其中酚醛树脂、异丙醇、六亚甲基四胺、甲基三甲氧基硅烷溶液的质量比例为30：70：5.4：30，此时杂化酚醛树脂在溶液中的浓度为30ω％。
将该纤维预制体裁剪成一份大小为150mm×150mm×10mm，平铺在定制的不锈钢模具中，采用低压RTM灌注方式将杂化酚醛树脂溶液在常温下缓慢地注入模具中，然后密封模具。将模具放置于85℃烘箱中，经溶胶-凝胶反应48h后，取出样品后，在80℃常压下干燥48h，制备出表面导电轻质防隔热材料，如图5-6所示。
该复合材料密度为640Kg/m3，表面电阻率为3.5Ω/cm，室温热导率为0.066W·m-l·K-1，弯曲强度为35MPa，拉伸强度37MPa，在2000℃、30s的烧蚀条件下，质量烧蚀率为0.02g/s，线烧蚀率为0.026mm/s。
实施例4
将短切碳纤维和石英纤维按照1：1的质量比均匀混合，通过针刺工艺制备成密度为0.2g/cm3的纤维预制体，其中表面为镀镍碳纤维网胎。
在反应器中加入苯酚、甲醛和盐酸进行反应，苯酚与甲醛摩尔比为1：1，盐酸为苯酚5％的摩尔量，得到酚醛树脂；加入甲基三甲氧基硅烷继续反应，并调节pH为7，抽真空，得到杂化酚醛树脂。然后分别称取一定量的杂化酚醛树脂和异丙醇，加入到搅拌釜中，机械搅拌直至完全溶解，最后再加入六亚甲基四胺，继续搅拌1h得到杂化酚醛树脂浸渍液，其中酚醛树脂、异丙醇、六亚甲基四胺、甲基三甲氧基硅烷溶液的质量比例为25：75：5.0：25，此时杂化酚醛树脂在溶液中的浓度为25ω％。
将该纤维预制体裁剪成一份大小为150mm×150mm×10mm，平铺在定制的不锈钢模具中，采用低压RTM灌注方式将杂化酚醛树脂溶液在常温下缓慢地注入模具中，然后密封模具。将模具放置于85℃烘箱中，经溶胶-凝胶反应48h后，取出样品后，在50℃常压下干燥48h，制备出表面导电轻质防隔热材料。
该复合材料密度为515Kg/m3，表面电阻率为2.6Ω/cm，室温热导率为0.043W·m-l·K-1，弯曲强度为17MPa，拉伸强度18MPa，在2000℃、30s的烧蚀条件下，质量烧蚀率为0.020g/s，线烧蚀率为0.19mm/s。
实施例5
将碳纤维和石英纤维按照2：1的质量比例，通过2.5D机织形式，制备成密度0.75g/cm3的纤维预制体，其中碳纤维在表面层的质量含量为66.7％。
在反应器中加入苯酚、甲醛和盐酸进行反应，苯酚与甲醛摩尔比为1：1，盐酸为苯酚5％的摩尔量，得到酚醛树脂；加入甲基三甲氧基硅烷继续反应，并调节pH为7，抽真空，得到杂化酚醛树脂。然后分别称取一定量的杂化酚醛树脂和异丙醇，加入到搅拌釜中，机械搅拌直至完全溶解，最后再加入六亚甲基四胺，继续搅拌1h得到杂化酚醛树脂浸渍液，其中酚醛树脂、异丙醇、六亚甲基四胺、甲基三甲氧基硅烷溶液的质量比例为50：50：7.5：25，此时杂化酚醛树脂在溶液中的浓度为50ω％。
将该纤维预制体裁剪成一份大小为150mm×150mm×10mm，平铺在定制的不锈钢模具中，采用低压RTM灌注方式将杂化酚醛树脂溶液在常温下缓慢地注入模具中，然后密封模具。将模具放置于85℃烘箱中，经溶胶-凝胶反应48h后，取出样品后，在80℃常压下干燥48h，制备出表面导电轻质防隔热材料。
该复合材料密度为1200Kg/m3，表面电阻率为5.6Ω/cm，室温热导率为0.092W·m-l·K-1，弯曲强度为110MPa，拉伸强度140MPa，在2000℃、30s的烧蚀条件下，质量烧蚀率为0.018g/s，线烧蚀率为0.02mm/s。
实施例6
一种表面导电轻质复合材料，参考图1-2，该材料包括以下质量百分比的组分：基体20％，增强体80％，增强体为导电纤维和非导电纤维混编或混合而成的纤维预制体，其中，导电纤维占增强体的20ωt％，占增强体表层的60ωt％。导电纤维为金属铜纤维、非导电纤维为玄武岩纤维，两种纤维的混编的结构形式为2.5D编织结构形式。最终，增强体的厚度为0.5mm，密度为800kg/m3。
采用以下步骤制得的杂化酚醛树脂和表面导电轻质复合材料：
(1)在反应器中加入间甲酚、糠醛和草酸进行反应，得到酚醛树脂；其中，所述的间甲酚和糠醛的摩尔比为0.5-2：1，草酸的摩尔量为间甲酚的4％，反应温度为65-75℃，时间为0.5h；
(2)加入有机硅前驱体继续反应；其中，有机硅前驱体为二苯基二甲氧基硅烷，二苯基二甲氧基硅烷和酚醛树脂的质量比为0.5：1，反应温度为80-95℃，时间为2h，反应的pH＝6.5-7.5；
(3)反应结束后抽真空，得到杂化酚醛树脂，通过溶剂溶解杂化酚醛树脂并加入固化剂，得到杂化酚醛树脂溶液；其中，溶剂为正丁醇，所述的杂化酚醛树脂在溶液中的浓度为10ωt％，固化剂为六亚甲基四胺，添加量为杂化酚醛树脂质量的9％；
(4)将增强体置于模具中，在不大于0.5MPa的压力下注射基体溶液，使杂化酚醛树脂溶液完全浸渍增强体；
(5)将模具密封，进行溶胶-凝胶反应，反应结束后冷却至室温；其中，反应温度为60℃，时间为96h；
(6)将模具打开，然后将复合材料置于常压环境下干燥，干燥的温度为20℃，时间为48h，得到表面导电轻质复合材料。
该复合材料密度为1000Kg/m3，表面电阻率为5.0Ω/cm，室温热导率为0.065W·m-l·K-1，弯曲强度为100MPa，拉伸强度120MPa，在2000℃、30s的烧蚀条件下，质量烧蚀率为0.025g/s，线烧蚀率为0.03mm/s，应用在战术导弹的热防护材料上。
实施例7
一种表面导电轻质复合材料，参考图1-2，该材料包括以下质量百分比的组分：基体80％，增强体20％，增强体为导电纤维和非导电纤维混编或混合而成的纤维预制体，其中，导电纤维占增强体的100ωt％，占增强体表层的100ωt％。导电纤维为镀银碳纤维，纤维的混编的结构形式为2.5D编织结构形式。最终，增强体的厚度为100mm，密度为120kg/m3。
采用以下步骤制得的杂化酚醛树脂和表面导电轻质复合材料：
(1)在反应器中加入间苯二酚、糠醛和草酸进行反应，得到酚醛树脂；其中，所述的间苯二酚和糠醛的摩尔比为0.5-2：1，草酸的摩尔量为间苯二酚的6％，反应温度为65-75℃，时间为2h；
(2)加入有机硅前驱体继续反应；其中，有机硅前驱体为苯基三甲氧基硅烷，苯基三甲氧基硅烷和酚醛树脂的质量比为1：1，反应温度为80-95℃，时间为4h，反应的pH＝6.5-7.5；
(3)反应结束后抽真空，得到杂化酚醛树脂，通过溶剂溶解杂化酚醛树脂并加入固化剂，得到杂化酚醛树脂溶液；其中，溶剂为乙醇，所述的杂化酚醛树脂在溶液中的浓度为50ωt％，固化剂为六亚甲基四胺，添加量为杂化酚醛树脂质量的12％；
(4)将增强体置于模具中，在不大于0.5MPa的压力下注射基体溶液，使杂化酚醛树脂溶液完全浸渍增强体；
(5)将模具密封，进行溶胶-凝胶反应，反应结束后冷却至室温；其中，反应温度为180℃，时间为8h；
(6)将模具打开，然后将复合材料置于常压环境下干燥，干燥的温度为120℃，时间为6h，得到表面导电轻质复合材料。
该复合材料密度为600Kg/m3，表面电阻率为0.5Ω/cm，室温热导率为0.049W·m-l·K-1，弯曲强度为99MPa，拉伸强度120MPa，在2000℃、30s的烧蚀条件下，质量烧蚀率为0.028g/s，线烧蚀率为0.04mm/s，该复合材料应用在战术导弹的热防护材料上。
以上实施例仅用于说明本发明技术方案，并非是对本发明的限制，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做的改变、替代、修饰、简化均为等效的变换，都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (10)

1.一种表面导电轻质复合材料，该材料包括以下质量百分比的组分：基体20-80％，增强体20-80％，其特征在于，所述的增强体为导电纤维和非导电纤维混编或混合而成的纤维预制体，其中，导电纤维占增强体的20-100ωt％。
2.根据权利要求1所述的一种表面导电轻质复合材料，其特征在于，所述的导电纤维包括碳纤维、镀镍碳纤维、镀银碳纤维、金属铜纤维或不锈钢纤维中的一种或几种；所述的非导电纤维包括石英纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维或玻璃纤维中的一种或几种；所述混编的结构形式包括准三维针刺结构、纤维布铺层、针刺纤维毡或2.5D编织结构的一种或多种，其中，导电纤维分布在增强体的表层和内层中，并占增强体表层的60-100ωt％。
3.根据权利要求1所述的一种表面导电轻质复合材料，其特征在于，所述增强体的厚度为0.5-100mm，密度为120-800kg/m3。
4.根据权利要求1所述的一种表面导电轻质复合材料，其特征在于，所述的基体为杂化酚醛树脂。
5.根据权利要求4所述的一种表面导电轻质复合材料，其特征在于，所述的杂化酚醛树脂采用以下方法制得：
(1)在反应器中加入酚、醛和催化剂进行反应，得到酚醛树脂；
(2)加入有机硅前驱体继续反应，并调节pH；
(3)反应结束后抽真空，得到杂化酚醛树脂。
6.根据权利要求5所述的一种表面导电轻质复合材料，其特征在于，步骤(1)中，所述的酚和醛的摩尔比为(0.5-2)：1，催化剂的摩尔量为酚的4-6％，所述反应的温度为65-75℃，时间为0.5-2h；所述的酚包括苯酚、间甲酚或间苯二酚中的一种或两种；所述的醛包括甲醛或糠醛；所述的催化剂包括草酸或盐酸；步骤(2)中，所述的有机硅前驱体和酚醛树脂的质量比为(0.5-1)：1，所述的反应的温度为80-95℃，时间为2-4h，反应的pH＝6.5-7.5；所述的有机硅前驱体包括甲基三甲氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、甲基乙烯基二氯硅烷、苯基三甲氧基硅烷或甲基苯基二氯硅烷中的一种或几种。
7.一种如权利要求1所述的表面导电轻质复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基体溶液配制：通过溶剂溶解基体并加入固化剂，得到基体溶液；
(2)低压RTM浸渍：将增强体置于模具中，采用低压RTM注射浸渍法，将基体溶液完全浸渍于增强体；
(3)溶胶-凝胶反应：将模具密封，进行溶胶-凝胶反应，反应结束后冷却至室温；
(4)复合材料的干燥：将模具打开，然后将复合材料置于常压环境下干燥，得到表面导电轻质复合材料。
8.根据权利要求7所述的一种表面导电轻质复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的溶剂包括正丁醇、异丙醇、乙醇或乙二醇中的一种或几种，所述的基体在基体溶液中的浓度为10-50ωt％，所述的固化剂为六亚甲基四胺，添加量为基体质量的9-12％；步骤(2)中，所述的低压RTM浸渍是指，将增强体置于模具中，在不大于0.5MPa的压力下注射基体溶液，使基体溶液完全浸渍增强体；步骤(3)中，所述反应的温度为60-180℃，时间为8-96h；步骤(4)中，所述干燥的温度为20-120℃，时间为6-48h。
9.一种如权利要求1所述的表面导电轻质复合材料的应用，其特征在于，该复合材料应用在高超声速飞行器的热防护材料上。
10.根据权利要求9所述的一种表面导电轻质复合材料的应用，其特征在于，所述的高超声速飞行器包括战术导弹、航天飞机或高超音速飞机。
CN201910954378.8A 2019-10-09 2019-10-09 一种表面导电轻质复合材料及其制备方法和应用 Pending CN110643142A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910954378.8A CN110643142A (zh) 2019-10-09 2019-10-09 一种表面导电轻质复合材料及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910954378.8A CN110643142A (zh) 2019-10-09 2019-10-09 一种表面导电轻质复合材料及其制备方法和应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110643142A true CN110643142A (zh) 2020-01-03

Family

ID=68993682

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910954378.8A Pending CN110643142A (zh) 2019-10-09 2019-10-09 一种表面导电轻质复合材料及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110643142A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112936657A (zh) * 2021-01-29 2021-06-11 哈尔滨工业大学 一种抗氧化叠层结构纤维编织体增强酚醛树脂复合材料的方法
CN114434937A (zh) * 2022-03-09 2022-05-06 长沙思云新材料科技有限公司 一种具有电磁功能的耐高温隔热夹层复合材料及其制备方法
CN117737618A (zh) * 2024-02-18 2024-03-22 中国第一汽车股份有限公司 玄武岩纤维增强基复合铝材及其制备方法和汽车

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6013361A (en) * 1995-10-31 2000-01-11 Lockheed Martin Corporation High performance structural laminate composite material for use to 1000° F and above, apparatus for and method of manufacturing same, and articles made with same
JP2000072905A (ja) * 1998-08-31 2000-03-07 Kyocera Corp 導電性樹脂複合体
WO2004009673A1 (en) * 2002-07-22 2004-01-29 Aspen Aerogels, Inc. Polyimide aerogels, carbon aerogels, and metal carbide aerogels and methods of making same
CN106496927A (zh) * 2016-11-03 2017-03-15 华东理工大学 一种低密度烧蚀隔热型复合材料及其制备方法
CN107804041A (zh) * 2017-09-27 2018-03-16 北京机电工程研究所 一种隔热隐身耐高温进气道及其制备方法
CN107840975A (zh) * 2017-10-26 2018-03-27 长沙五犇新材料科技有限公司 一种连续纤维增强尼龙复合材料的制备方法
KR101928538B1 (ko) * 2017-06-19 2018-12-13 에스케이씨 주식회사 에어로겔 복합체

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6013361A (en) * 1995-10-31 2000-01-11 Lockheed Martin Corporation High performance structural laminate composite material for use to 1000° F and above, apparatus for and method of manufacturing same, and articles made with same
JP2000072905A (ja) * 1998-08-31 2000-03-07 Kyocera Corp 導電性樹脂複合体
WO2004009673A1 (en) * 2002-07-22 2004-01-29 Aspen Aerogels, Inc. Polyimide aerogels, carbon aerogels, and metal carbide aerogels and methods of making same
CN106496927A (zh) * 2016-11-03 2017-03-15 华东理工大学 一种低密度烧蚀隔热型复合材料及其制备方法
KR101928538B1 (ko) * 2017-06-19 2018-12-13 에스케이씨 주식회사 에어로겔 복합체
CN107804041A (zh) * 2017-09-27 2018-03-16 北京机电工程研究所 一种隔热隐身耐高温进气道及其制备方法
CN107840975A (zh) * 2017-10-26 2018-03-27 长沙五犇新材料科技有限公司 一种连续纤维增强尼龙复合材料的制备方法

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHENG, HM 等: "Preparation, mechanical, thermal and ablative properties of lightweight needled carbon fibre felt/phenolic resin aerogel composite with a bird"s nest structure", 《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》 *
孙可平、ALBERTKOW主编: "《电子工业静电放电 ESD 防护与控制技术》", 30 April 2007, 大连海事大学出版社 *
尹洪峰 等: "《普通高等教育十二五规划教材 功能复合材料》", 31 August 2013, 冶金工业出版社 *
张向宇: "《实用化学手册》", 31 October 2011, 国防工业出版 *
张忠伦 等: "《室内电磁辐射污染控制与防护技术》", 30 September 2016, 中国建材工业出版社 *
朱召贤 等: "酚醛气凝胶/炭纤维复合材料的结构与烧蚀性能", 《新型炭材料》 *
王建国: "《新知识图书馆 纤维世界》", 30 April 2012, 安徽师范大学出版社 *
金翔宇: "石英纤维增强低密度酚醛复合材料的制备及性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112936657A (zh) * 2021-01-29 2021-06-11 哈尔滨工业大学 一种抗氧化叠层结构纤维编织体增强酚醛树脂复合材料的方法
CN114434937A (zh) * 2022-03-09 2022-05-06 长沙思云新材料科技有限公司 一种具有电磁功能的耐高温隔热夹层复合材料及其制备方法
CN117737618A (zh) * 2024-02-18 2024-03-22 中国第一汽车股份有限公司 玄武岩纤维增强基复合铝材及其制备方法和汽车
CN117737618B (zh) * 2024-02-18 2024-06-11 中国第一汽车股份有限公司 玄武岩纤维增强基复合铝材及其制备方法和汽车

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110643142A (zh) 一种表面导电轻质复合材料及其制备方法和应用
CN106496927B (zh) 一种低密度烧蚀隔热型复合材料及其制备方法
CN110951210B (zh) 高强度纳米孔可陶瓷化烧蚀防热复合材料及其制备方法
CN113246556B (zh) 一种超轻质隔热耐冲刷的功能一体化复合材料及制备方法
CN109957208B (zh) 一种轻质微烧蚀型复合材料及其制备方法
CN110804274B (zh) 一种基于间隔结构织物增强体的轻质防隔热复合材料及其制备方法
CN102924106B (zh) 一种碳-碳化硅复合材料的制备方法
CN108032580B (zh) 一种制备夹层结构热防护材料的方法及由该方法制得的热防护材料
CN108101566B (zh) Rtm工艺辅助制备碳化硅陶瓷基复合材料构件的方法
CN111409208B (zh) 一种耐烧蚀、低导热复合结构绝热层及其制备方法
CN110590386B (zh) 一种碳纤维混杂保护方法及其耐烧蚀复合材料制备
CN112500180B (zh) 氮化物纤维增强陶瓷基透波复合材料及其精密成型方法
CN111908932B (zh) 一种轻质高效防隔热一体化热防护材料及制备方法
CN102659442A (zh) 一种氧化物纤维增韧二氧化硅陶瓷基复合材料间隙型界面的制备方法
CN112265347A (zh) 一种结构承载-烧蚀防热一体化复合材料及其制备方法
CN106433148A (zh) 一种碳纤维布增强/热硫化橡胶耐烧蚀复合材料及其制备方法
CN110526736A (zh) 一种抗氧化纳米孔结构碳复合材料及其制备方法
CN105734720A (zh) 一种提高碳化硅纤维强度和模量的制备方法
US20080237922A1 (en) Composite components with integral protective casings
CN107745557A (zh) 一种防隔热/吸波一体化结构材料及其制备方法
CN112940445B (zh) 一种陶瓷微球改性碳纤维预制体增强硅氧碳-酚醛复合材料及其制备方法
CN111040375B (zh) 一种纳米孔抗氧化树脂基复合材料及其制备方法
CN115816926A (zh) 一种基于陶瓷瓦的可重复使用防隔热结构及其制备方法
CN114957742A (zh) 一种刚性纳米孔树脂基复合材料及其制备方法
CN202192806U (zh) 复合隔热材料

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination