CN110746780B - 一种轻质高强隔热透波复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种轻质高强隔热透波复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110746780B
CN110746780B CN201911099023.1A CN201911099023A CN110746780B CN 110746780 B CN110746780 B CN 110746780B CN 201911099023 A CN201911099023 A CN 201911099023A CN 110746780 B CN110746780 B CN 110746780B
Authority
CN
China
Prior art keywords
composite material
organic silicon
silicon resin
aerogel powder
prepreg cloth
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.)
Active
Application number
CN201911099023.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110746780A (zh
Inventor
孔国强
李莹
魏化震
于秋兵
尹磊
安振河
李居影
王康
孙晓冬
毕卫东
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.)
Shandong Non Metallic Material Research Institute
Original Assignee
Shandong Non Metallic Material Research Institute
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 Shandong Non Metallic Material Research Institute filed Critical Shandong Non Metallic Material Research Institute
Priority to CN201911099023.1A priority Critical patent/CN110746780B/zh
Publication of CN110746780A publication Critical patent/CN110746780A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110746780B publication Critical patent/CN110746780B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/24—Impregnating materials with prepolymers which can be polymerised in situ, e.g. manufacture of prepregs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B33/00—Layered products characterised by particular properties or particular surface features, e.g. particular surface coatings; Layered products designed for particular purposes not covered by another single class
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
    • B32B37/06—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the heating method
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
    • B32B37/10—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the pressing technique, e.g. using action of vacuum or fluid pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
    • B32B38/0036—Heat treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/02—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by structural features of a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/22—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed
    • B32B5/24—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer
    • B32B5/26—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer another layer next to it also being fibrous or filamentary
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2383/00—Characterised by the use of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Derivatives of such polymers
    • C08J2383/04—Polysiloxanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2483/00—Characterised by the use of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Derivatives of such polymers
    • C08J2483/04—Polysiloxanes
    • C08J2483/06—Polysiloxanes containing silicon bound to oxygen-containing groups
    • 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
    • C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
    • C08K7/22—Expanded, porous or hollow particles
    • C08K7/24—Expanded, porous or hollow particles inorganic
    • 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
    • C08K7/22—Expanded, porous or hollow particles
    • C08K7/24—Expanded, porous or hollow particles inorganic
    • C08K7/26—Silicon- containing compounds

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)

Abstract

本发明是属于复合材料领域，尤其涉及一种轻质高强隔热透波复合材料及制备方法，采用空心石英纤维作为增强体、有机硅树脂作为基体，添加气凝胶粉体作为添加剂，通过热压成型制备树脂基透波复合材料，该材料具有密度低、强度高、介电性能和隔热性能优异的特点，特别适用于弹箭武器天线罩对轻量化、隔热效果优良的结构/透波复合材料的技术要求。

Description

一种轻质高强隔热透波复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及一种轻质高强隔热透波复合材料及其制备方法。
背景技术
天线罩作为弹箭武器的关键部件，是天线系统的重要组成部分，被称为天线系统的“电磁窗口”。天线罩位于弹箭武器装备的头部或弹体侧面，在弹箭武器高马赫数飞行过程中受到严重的气动加热且承受时间越来越长，驻点温度较高，是典型的集导流、防热、隔热、透波、承载等多种功能于一体的结构/功能一体化部件。天线罩的特点是加速载荷高、壁面气动温升快、低功率、高精度、使用环境复杂、多频谱等，这对透波材料的力、热、电综合性能要求很高，如优良的介电性能、足够的机械性能、耐热及热冲击性能、耐环境性能、较宽的工艺窗口、良好的经济性等。
实心石英纤维增强的有机硅树脂基透波复合材料是一种常见的耐高温树脂基透波复合材料，长期工作温度可达250℃～300℃，具有优异的介电性能和耐热性，在各种环境下(如高温、潮湿)，介电性能都比较稳定，且随着温度的升高，介电常数几乎不变。因此，石英/有机硅树脂基透波复合材料是一种极为优异的耐高温透波材料，其主要不足是强度较低。
与实心石英纤维相比，空心石英纤维增强的树脂基复合材料由于纤维空心(类似于孔隙)的存在，进一步降低了材料的密度，密度由原来实心石英纤维增强树脂基复合材料的1.6～1.8g/cm3降低至1.4～1.5g/cm3。同时，空心石英纤维中间被惰性气体填充，在保证低密度的同时在一定程度上能够提高纤维的刚度和弯曲性能。当制备纤维增强树脂基复合材料时，纤维的空心化还能够提高纤维与树脂基体的黏合能力，从而较大程度提升复合材料的力学性能。另外，空心石英纤维由于其空心的存在，进一步降低了材料的介电常数和介电损耗，同时降低了材料的导热系数，具有较为优异的介电性能和隔热性能。上述得知，采用空心石英纤维作为增强体，可解决实心石英/有机硅树脂基复合材料密度大、强度低的问题，满足随着弹箭武器的发展带来的轻质化、强度高、优异的介电性能和隔热性能的需求。
气凝胶是由纳米超细微粒相互聚结而成的拥有三维纳米网络的轻质纳米多孔材料，被称为“终极保温绝热材料”，是目前已知的最轻的固体材料。气凝胶具有低密度(0.003～0.1g/cm3)、高比表面积(500～1200m2/g)、高孔隙率(90～99.8％)、低介电常数、低热导率(0.005～0.02(W/m·K))等物理特性。采用纳米多孔气凝胶与无机纤维材料复合制备的复合材料具有优异的保温绝热、耐高温、疏水、防火阻燃等特点，导热系数约0.02W/m·K左右，具有优异的隔热性能，其缺点是强度很差，无法单独作为具有较高结构强度的材料使用。
孟庆杰等(材料导报，2018，S1，110～112)分别采用空心石英纤维布和实心石英纤维布作为增强体、氰酸酯树脂作为基体制备了透波复合材料。空心石英纤维制备的复合材料密度为1.35g/cm3，压缩强度和弯曲强度分别为439MPa、656MPa，50℃、250℃下的导热系数分别为0.30W/(m·K)、0.42W/(m·K)，介电常数在3.0～3.3。实心石英纤维制备的复合材料密度为1.66g/cm3，压缩强度和弯曲强度分别为427MPa、725MPa，50℃、250℃下的导热系数分别为0.38W/(m·K)、0.51W/(m·K)，介电常数在3.2～3.4。与实心石英纤维复合材料相比，空心石英纤维复合材料具有密度低、隔热性能和介电性能优良、压缩性能高等特点，但弯曲强度较差。
吴文敬等(宇航材料工艺，2018，5，30～33)分别采用空心石英纤维(空心度0.3)和实心石英纤维作为增强体、酚醛树脂作为基体制备了复合材料。空心石英纤维制备的复合材料密度为1.55g/cm3，压缩强度和弯曲强度分别为237.5MPa、176MPa，50℃导热系数为0.46W/(m·K)。实心石英纤维制备的复合材料密度为1.63g/cm3，压缩强度和弯曲强度分别为233.4MPa、111.6MPa，50℃导热系数为0.469W/(m·K)。空心石英纤维制备的复合材料具有密度低、力学性能和隔热性能优异等特点，但由于采用酚醛树脂作为基体，介电性能较差，无法作为透波材料使用。
张丽娟等(宇航材料工艺，2015，4，47～50)采用溶胶-凝胶方法，以石英纤维毡作为增强体，通过超临界干燥工艺制备了石英纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料。该复合材料的介电常数为1.28～1.39，介电损耗角正切值≤0.005，室温导热系数≤0.02W/(m·K)，具有极为优异的介电性能和隔热性能。但其力学性能极差，室温拉伸强度仅为0.88MPa，仅可作为隔热透波功能材料使用，无法天线罩的主体结构材料。
目前国内尚无采用空心石英纤维作为增强体制备有机硅树脂基透波复合材料以降低材料密度、提升强度、隔热性能和介电性能的报道，且尚无采用气凝胶粉体作为填料提升树脂基复合材料隔热性能的报道。
发明内容
本发明针对现有技术存在的诸多不足之处，提供了一种轻质高强隔热透波复合材料及其制备方法，采用空心石英纤维作为增强体、有机硅树脂作为基体，添加气凝胶粉体作为添加剂，通过热压成型制备树脂基透波复合材料，该材料具有密度低、强度高、介电性能和隔热性能优异的特点，特别适用于弹箭武器天线罩对轻量化、隔热效果优良的结构/透波复合材料的技术要求。
本发明的创新之处在于：采用空心石英纤维作为增强体、有机硅树脂作为基体，添加气凝胶粉体作为添加剂通过热压成型制备树脂基透波复合材料，该材料具有密度低、强度高、介电性能和隔热性能优异的特点，具体可达到如下的参数：密度为1.39g/cm3～1.47g/cm3、压缩强度和弯曲强度分别为123MPa～140MPa和163MPa～182MPa、导热系数为0.089W/m·K～0.099W/m·K、8～12GHz的介电常数和介电损耗角正切值分别是2.92～3.05和0.016～0.0024。
本发明的具体技术方案是：
一种轻质高强隔热透波复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)有机硅树脂溶液的配制：将有机硅树脂溶于有机溶剂制备成质量浓度为15～75％的有机硅树脂溶液，之后依次加入环氧基POSS、辅助固化剂和气凝胶粉体，采用功率为300W超声波仪器进行初步分散，直至改性有机硅树脂溶液为均相溶液，无明显固体颗粒存在为止，然后在30℃～160℃加热反应1h～12h，配制成改性有机硅树脂溶液；
上述主要组分以重量份计组分构成至少包括：
有机硅树脂：100份；
环氧基POSS：2～18份；
气凝胶粉体：2～18份；
辅助固化剂：环氧基POSS用量的1wt％。
(2)预浸布制备：按照空心石英纤维织物质量为上述所用有机硅树脂质量的100％～200％的比例，将上步获得的改性有机硅树脂溶液均匀涂刷在纤维织物表面，然后在空气中晾置2～26小时，得到预浸布；
(3)预浸布处理：将步骤(2)得到的预浸布在鼓风干燥箱中进行热处理，温度为30℃～110℃，时间为10分钟～60分钟，烘至预浸布表面基本无溶剂，有一定粘度但无拉丝现象；之后将烘干后的预浸布裁剪成合适的尺寸，按设定方式进行铺层；
(4)热压成型：将步骤(3)得到的铺层的预浸布在温度150℃～250℃和压力为2～30MPa压力下进行热压成型，冷却后得到复合材料；
(5)后处理：将步骤(4)得到的复合材料在250℃～450℃下热处理0.5～5分钟即可得到所述轻质高强隔热透波复合材料。
在高温烘箱中采用更高后处理温度在短时间内对复合材料进行后处理，会使得复合材料的固化程度更高，更有利于消除复合材料的内应力。
其中优选的，在步骤(1)中所述有机硅树脂选自甲基有机硅树脂或甲基苯基有机硅树脂或其混合物；所采用的有机溶剂为甲苯、乙醇、丙酮中的一种。
优选地：在步骤(1)中有机硅树脂溶液中有机硅树脂的质量浓度为30％～60％。
优选地：在步骤(1)所述环氧基POSS选自八缩水甘油醚基POSS或八环氧环己基POSS或其混合物。
优选地：在步骤(1)所述气凝胶粉体粒径范围为2～25μm，具体选自SiO2气凝胶粉体、Al2O3气凝胶粉体、ZrO2气凝胶粉体中的一种或几种的混合物。
优选地：在步骤(1)所述辅助固化剂为环氧树脂常用的高温固化剂，包括高温胺类固化剂如：三乙胺、间苯二胺、二胺基二苯砜、2-乙基-4-甲基咪唑。
优选地：在步骤(1)所述改性有机硅树脂溶液反应条件为：50℃～120℃加热反应2h～8h。
更进一步的步骤(1)所述有机硅树脂、环氧基POSS、气凝胶粉体以重量份计组分为：
有机硅树脂：100份；
环氧基POSS：3～15份；
气凝胶粉体：3～15份；
辅助固化剂：环氧基POSS用量的1wt％。
优选地：在步骤(2)所述空心石英纤维织物的空心度为32％～50％。
优选地：在步骤(2)所述石英纤维织物与有机硅树脂的质量比为100％～150％。
优选地：在步骤(2)所述预浸布在空气中晾置时间为4～24小时。
优选地：在步骤(3)所述预浸布热处理条件为：温度50℃～100℃，时间20分钟～40分钟。
优选地：在步骤(4)所述热压成型在温度为160℃～230℃、压力为6～25MPa条件下进行。
优选地：在步骤(5)所述后处理在300℃～400℃下热处理1～3分钟得到树脂基透波复合材料。
本发明的上述技术方案具有如下优点：
(1)本发明制备的有机硅树脂基透波复合材料，采用空心石英纤维作为增强体，相比于传统实心石英纤维制备的有机硅透波材料，由于其空心的存在，制备的复合材料具有密度低、强度高、介电性能和隔热性能优异等特点，解决了当前传统石英/有机硅透波复合材料密度较大、机械强度较低的问题。采用空心石英纤维作为透波复合材料的增强体为本发明的特点，目前国内尚无采用空心石英纤维作为增强体制备有机硅树脂基透波复合材料以降低材料密度、提升强度、隔热性能和介电性能的报道。
(2)本发明采用气凝胶粉体作为复合材料的添加剂，在不降低复合材料力学性能的前提下，提升透波材料的隔热性能，满足高超声速制导弹药在高速飞行过程中的隔热需求；采用气凝胶粉体作为填料提升树脂基复合材料隔热性能为本发明的特点，目前国内尚无相关报道。
(3)本发明采用环氧基POSS作为改性剂对有机硅树脂进行改性，POSS上的环氧基团与有机硅树脂上的羟基通过加热使得POSS分子连接在有机硅树脂的侧链或者两端，形成一个大分子网状结构，环氧基POSS的加入提升有机硅树脂的交联密度，进而可提升复合材料的耐热性能和力学性能；另外，环氧基POSS纳米分子本身具有较大空腔，引入到有机硅树脂中，可一定程度降低材料的介电常数和介电损耗，提升介电性能。
(4)本发明中采用超声波振荡对加入的有机硅树脂、环氧基POSS、气凝胶粉体等进行初步分散，直至有机硅树脂溶液为均相溶液，然后通过加热反应配制成改性有机硅树脂溶液，在分散过程中，将质轻体积大的气凝胶粉体充分振荡后均匀分布在有机硅树脂溶液中，避免由于分散不均匀造成的沉降团聚现象；在反应过程中，通过加热反应，使得POSS的环氧基团与有机硅树脂的羟基发生共聚形成大分子的网状结构，提升复合材料的力学性能、介电性能和隔热性能。
综上所述，采用上述原料组成和对应的制备方法获得的轻质高强隔热透波复合材料密度为1.39g/cm3～1.47g/cm3、压缩强度和弯曲强度分别为123MPa～140MPa和163MPa～182MPa、导热系数为0.089W/m·K～0.099W/m·K、8～12GHz的介电常数和介电损耗角正切值分别是2.92～3.05和0.016～0.0024；更优选的可以达到复合材料密度为1.39g/cm3、压缩强度和弯曲强度分别为140MPa和182MPa、导热系数为0.089W/m K、8～12GHz的介电常数和介电损耗角正切值分别是2.92和0.0016。与以实心石英纤维为增强体且未加气凝胶粉体为填料制备的有机硅树脂基透波复合材料相比，具有质轻、高强、介电性能和隔热性能优异的特点，特别适用于陆军弹箭武器天线罩对轻量化、隔热效果优良的结构/透波复合材料的技术要求。
附图说明
图1为实施例1-7与对比例1所获得的透波复合材料压缩强度和导热系数的比较图。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，可以使本领域技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明；
实施例1：
在328g甲基苯基有机硅树脂溶液(GR1320，树脂质量浓度为50％)中依次加入8.2g八缩水甘油醚基POSS、0.08g2-乙基-4-甲基咪唑、8.2gSiO2气凝胶粉体(比表面积650m2/g)，超声波分散后在50℃下加热反应8小时，配制成改性甲基苯基有机硅树脂溶液。将树脂溶液均匀涂刷在164g空心石英纤维布(空心度32％)表面，空气中晾置12h后在鼓风干燥箱中50℃下处理40分钟，烘干后裁剪成180mm×180mm预浸布，铺叠整齐得到预浸布层。将预浸布层放置在真空热压机上进行热压成型，最终成型温度为230℃，压力为9MPa，成型结束后冷却得到复合材料。将复合材料在高温烘箱中进行热处理，条件为300℃处理3分钟得到树脂基透波复合材料。
实施例2
在820g甲基苯基有机硅树脂溶液(DC808，树脂质量浓度为30％)中依次加入36.9g八缩水甘油醚基POSS、0.4g三乙胺、19.6gAl2O3气凝胶粉体(比表面积350m2/g)，超声波分散后在120℃下加热反应2小时，配制成改性甲基苯基有机硅树脂溶液。将树脂溶液均匀涂刷在300g空心石英纤维布(空心度42％)表面，空气中晾置4小时后在鼓风干燥箱中100℃下处理20分钟，烘干后裁剪成250mm×250mm预浸布，铺叠整齐得到预浸布层。将预浸布层放置在真空热压机上进行热压成型，最终成型温度为210℃，压力为16MPa，成型结束后冷却得到复合材料。将复合材料在高温烘箱中进行热处理，条件为400℃处理3分钟得到树脂基透波复合材料。
实施例3
在180g甲基有机硅树脂溶液(SH-9502，树脂质量浓度为60％)中依次加入3.24g八环氧环己基POSS、0.03g二氨基二苯砜、16.2gZrO2气凝胶粉体(比表面积400m2/g)，超声波分散后在80℃下加热反应5h，配制成改性甲基有机硅树脂溶液。将树脂溶液均匀涂刷在162g空心石英纤维布(空心度32％)表面，空气中晾置8h后在鼓风干燥箱中80℃下处理40分钟，烘干后裁剪成150mm×150mm预浸布，铺叠整齐得到预浸布层。将预浸布层放置在真空热压机上进行热压成型，最终成型温度为200℃，压力为6MPa，成型结束后冷却得到复合材料。将复合材料在高温烘箱中进行热处理，条件为400℃处理1分钟得到树脂基透波复合材料。
实施例4
在890g甲基有机硅树脂溶液(SH-409，树脂质量浓度为40％)中依次加入35.6g八缩水甘油醚基POSS、0.36g间苯二胺、35.6g SiO2气凝胶粉体(比表面积650m2/g)，超声波分散后在100℃下加热反应4h，配制成改性甲基有机硅树脂溶液。将树脂溶液均匀涂刷在492g空心石英纤维布(空心度50％)表面，空气中晾置24h后在鼓风干燥箱中90℃下处理30分钟，烘干后裁剪成300mm×300mm预浸布，铺叠整齐得到预浸布层。将预浸布层放置在真空热压机上进行热压成型，最终成型温度为160℃，压力为25MPa，成型结束后冷却得到复合材料。将复合材料在高温烘箱中进行热处理，条件为350℃处理3分钟得到树脂基透波复合材料。
实施例5
在492g甲基苯基有机硅树脂溶液(SH-9601，树脂质量浓度为50％)中依次加入15g八缩水甘油醚基POSS、15g八环氧环己基POSS、0.3g2-乙基-4-甲基咪唑、7.38g Al2O3气凝胶粉体(比表面积350m2/g)，超声波分散后在65℃下加热反应6h，配制成改性甲基苯基有机硅树脂溶液。将树脂溶液均匀涂刷在246g空心石英纤维布(空心度42％)表面，空气中晾置16h后在鼓风干燥箱中60℃下处理35分钟，烘干后裁剪成200mm×200mm预浸布，铺叠整齐得到预浸布层。将预浸布层放置在真空热压机上进行热压成型，最终成型温度为180℃，压力为12MPa，成型结束后冷却得到复合材料。将复合材料在高温烘箱中进行热处理，条件为300℃处理2分钟得到树脂基透波复合材料。
实施例6
将116g甲基苯基有机硅树脂溶液(GR1320，树脂质量浓度为60％)和175g甲基有机硅树脂溶液(SH-9502，树脂质量浓度为40％)混合均匀，在混合溶液中依次加入11.2g八环氧环己基POSS、0.11g二氨基二苯砜、16.8g ZrO2气凝胶粉体(比表面积400m2/g)，超声波分散后在50℃下加热反应5h，配制成改性有机硅树脂溶液。将树脂溶液均匀涂刷在164g空心石英纤维布(空心度32％)表面，空气中晾置18h后在鼓风干燥箱中80℃下处理25分钟，烘干后裁剪成180mm×180mm预浸布，铺叠整齐得到预浸布层。将预浸布层放置在真空热压机上进行热压成型，最终成型温度为230℃，压力为9MPa，成型结束后冷却得到复合材料。将复合材料在高温烘箱中进行热处理，条件为400℃处理2分钟得到树脂基透波复合材料。
实施例7
在547g甲基有机硅树脂溶液(SH-9502，树脂质量浓度为30％)中依次加入8.2g八缩水甘油醚基POSS、0.08g三乙胺、8.2g SiO2气凝胶粉体(比表面积650m2/g)、8.2g Al2O3气凝胶粉体(比表面积350m2/g)，超声波分散后在100℃下加热反应3h，配制成改性甲基有机硅树脂溶液。将树脂溶液均匀涂刷在246g空心石英纤维布(空心度50％)表面，空气中晾置15h后在鼓风干燥箱中50℃下处理30分钟，烘干后裁剪成200mm×200mm预浸布，铺叠整齐得到预浸布层。将预浸布层放置在真空热压机上进行热压成型，最终成型温度为200℃，压力为14MPa，成型结束后冷却得到复合材料。将复合材料在高温烘箱中进行热处理，条件为400℃处理1分钟得到树脂基透波复合材料。
对比例1
在388g甲基苯基有机硅树脂溶液(GR1320，树脂质量浓度为50％)中依次加入9.7g八缩水甘油醚基POSS、0.1g2-乙基-4-甲基咪唑，超声波分散后在50℃下加热反应8h，配制成改性甲基苯基有机硅树脂溶液。将树脂溶液均匀涂刷在194g石英纤维布(B型，厚度0.2mm)表面，空气中晾置12h后在鼓风干燥箱中50℃下处理40分钟，烘干后裁剪成180mm×180mm预浸布，铺叠整齐得到预浸布层。将预浸布层放置在真空热压机上进行热压成型，最终成型温度为230℃，压力为9MPa，成型结束后冷却得到复合材料。将复合材料在高温烘箱中进行热处理，条件为300℃处理3分钟得到树脂基透波复合材料。
测试上述各实施例制得的树脂基透波复合材料的密度、力学性能、导热系数和介电性能，具体性能测试结果见表1。
表1
Figure BDA0002267425150000071
从表1可以看出，采用空心石英纤维作为增强体，甲基有机硅树脂或甲基苯基有机硅树脂作为基体，添加环氧基POSS和气凝胶粉体作为填料制备的透波复合材料(实施例)密度≤1.47g/cm3，压缩强度≥123MPa，弯曲强度≥163MPa，导热系数≤0.097W/m K，介电常数≤3.05，和介电损耗角正切值≤0.0024；
采用实心石英纤维作为增强体，甲基苯基有机硅树脂作为基体，添加环氧基POSS制备的透波复合材料(对比例)密度为1.67g/cm3，压缩强度为102MPa，弯曲强度为128MPa，导热系数为0.24W/m K，介电常数和介电损耗角正切值分别为3.25和0.0052。
这是因为采用空心石英纤维作为增强体，在降低材料密度的同时，由于其空心的存在，提升了材料的力学性能、介电性能和隔热性能。而采用气凝胶粉体作为填料添加到材料体系中，由于气凝胶自身极低的导热系数，进一步提升了材料体系的隔热性能，可见本申请的技术方案较之对比例1有明显的进步。
除此之外，由表1得知，实施例1力学性能>实施例4，实施例1介电性能<实施例4。实施例1、4其他条件没有发生明显变化的情况下，有机硅树脂的种类起到关键作用。实施例1中采用的甲基苯基有机硅树脂与实施例4中采用的甲基有机硅树脂相比，具有较高的力学性能，但介电性能稍差。
上述可知，与传统有机硅树脂基透波复合材料相比，本发明制备的轻质高强隔热透波复合材料具有质轻、高强、介电性能和隔热性能优异的特点，特别适用于陆军弹箭武器天线罩对轻量化、隔热效果优良的结构/透波复合材料的技术要求。

Claims (9)

1.一种轻质高强隔热透波复合材料，其特征在于：其是以空心石英纤维为增强体，有机硅树脂作为基体，添加气凝胶粉体制备而得的；所述轻质高强隔热透波复合材料密度为1.39g/cm3~1.47g/cm3、压缩强度和弯曲强度分别为123MPa~140MPa和163 MPa~182MPa、导热系数为0.089 W/m·K~0.099 W/m·K、8~12GHz的介电常数和介电损耗角正切值分别是2.92~3.05和0.0016~0.0024；
其制备方法包括如下步骤：
（1）有机硅树脂溶液的配制：将有机硅树脂溶于有机溶剂制备成质量浓度为15～75%的有机硅树脂溶液，之后依次加入环氧基POSS、辅助固化剂和气凝胶粉体，采用功率为300W超声波仪器进行初步分散，直至改性有机硅树脂溶液为均相溶液，无明显固体颗粒存在为止，然后在30℃~160℃加热反应1h～12h，配制成改性有机硅树脂溶液；
上述主要组分以重量份计组分构成至少包括：
有机硅树脂：100份；
环氧基POSS：2~18份；
气凝胶粉体：2~18份；
辅助固化剂：环氧基POSS用量的1wt%；
（2）预浸布制备：按照空心石英纤维织物质量为上述所用有机硅树脂质量的100%~200%的比例，将上步获得的改性有机硅树脂溶液均匀涂刷在纤维织物表面，然后在空气中晾置2~26小时，得到预浸布；
（3）预浸布处理：将步骤（2）得到的预浸布在鼓风干燥箱中进行热处理，温度为30℃~110℃，时间为10分钟~60分钟，烘至预浸布表面无溶剂，有一定粘度但无拉丝现象；之后将烘干后的预浸布裁剪成合适的尺寸，按设定方式进行铺层；
（4）热压成型：将步骤（3）得到的铺层的预浸布在温度150℃~250℃和压力为2~30MPa压力下进行热压成型，冷却后得到复合材料；
（5）后处理：将步骤（4）得到的复合材料在250℃~450℃下热处理0.5~5分钟即可得到所述轻质高强隔热透波复合材料；
步骤（1）中所述有机硅树脂选自甲基有机硅树脂或甲基苯基有机硅树脂或其混合物；
步骤（1）所述环氧基POSS选自八缩水甘油醚基POSS或八环氧环己基POSS或其混合物；所述气凝胶粉体选自SiO2气凝胶粉体、Al2O3气凝胶粉体、ZrO2气凝胶粉体中的一种或几种的混合物；所述气凝胶粉体的粒径为2~25μm；
步骤（2）所述空心石英纤维织物的空心度为32%~50%。
2.一种轻质高强隔热透波复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）有机硅树脂溶液的配制：将有机硅树脂溶于有机溶剂制备成质量浓度为15～75%的有机硅树脂溶液，之后依次加入环氧基POSS、辅助固化剂和气凝胶粉体，采用功率为300W超声波仪器进行初步分散，直至改性有机硅树脂溶液为均相溶液，无明显固体颗粒存在为止，然后在30℃~160℃加热反应1h～12h，配制成改性有机硅树脂溶液；
上述主要组分以重量份计组分构成至少包括：
有机硅树脂：100份；
环氧基POSS：2~18份；
气凝胶粉体：2~18份；
辅助固化剂：环氧基POSS用量的1wt%；
（2）预浸布制备：按照空心石英纤维织物质量为上述所用有机硅树脂质量的100%~200%的比例，将上步获得的改性有机硅树脂溶液均匀涂刷在纤维织物表面，然后在空气中晾置2~26小时，得到预浸布；
（3）预浸布处理：将步骤（2）得到的预浸布在鼓风干燥箱中进行热处理，温度为30℃~110℃，时间为10分钟~60分钟，烘至预浸布表面无溶剂，有一定粘度但无拉丝现象；之后将烘干后的预浸布裁剪成合适的尺寸，按设定方式进行铺层；
（4）热压成型：将步骤（3）得到的铺层的预浸布在温度150℃~250℃和压力为2~30MPa压力下进行热压成型，冷却后得到复合材料；
（5）后处理：将步骤（4）得到的复合材料在250℃~450℃下热处理0.5~5分钟即可得到所述轻质高强隔热透波复合材料；
步骤（1）中所述有机硅树脂选自甲基有机硅树脂或甲基苯基有机硅树脂或其混合物；
步骤（1）所述环氧基POSS选自八缩水甘油醚基POSS或八环氧环己基POSS或其混合物；所述气凝胶粉体选自SiO2气凝胶粉体、Al2O3气凝胶粉体、ZrO2气凝胶粉体中的一种或几种的混合物；所述气凝胶粉体的粒径为2~25μm；
步骤（2）所述空心石英纤维织物的空心度为32%~50%。
3.根据权利要求2所述轻质高强隔热透波复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所采用的有机溶剂为甲苯、乙醇、丙酮中的一种；有机硅树脂溶液中有机硅树脂的质量浓度为30%～60%。
4.根据权利要求2所述轻质高强隔热透波复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述辅助固化剂为环氧树脂常用的高温固化剂，选自三乙胺、间苯二胺、二胺基二苯砜、2-乙基-4-甲基咪唑中的一种。
5.根据权利要求2所述轻质高强隔热透波复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤（1）所述改性有机硅树脂溶液反应条件为：50℃~120℃加热反应2h~8h。
6.根据权利要求2所述轻质高强隔热透波复合材料的制备方法，其特征在于：有机硅树脂溶液的组成按重量份计为：
有机硅树脂：100份；
环氧基POSS：3~15份；
气凝胶粉体：3~15份；
辅助固化剂：环氧基POSS用量的1wt%。
7.根据权利要求2所述轻质高强隔热透波复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述石英纤维织物与有机硅树脂的质量比为100%~150%；所述预浸布在空气中晾置时间为4~24小时。
8.根据权利要求2所述轻质高强隔热透波复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述预浸布热处理条件为：温度50℃~100℃，时间20分钟~40分钟。
9.根据权利要求2所述轻质高强隔热透波复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤（4）所述热压成型在温度为160℃~230℃、压力为6~25MPa条件下进行；在步骤（5）所述后处理在300℃~400℃下热处理1~3分钟。
CN201911099023.1A 2019-11-11 2019-11-11 一种轻质高强隔热透波复合材料及其制备方法 Active CN110746780B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911099023.1A CN110746780B (zh) 2019-11-11 2019-11-11 一种轻质高强隔热透波复合材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911099023.1A CN110746780B (zh) 2019-11-11 2019-11-11 一种轻质高强隔热透波复合材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110746780A CN110746780A (zh) 2020-02-04
CN110746780B true CN110746780B (zh) 2022-01-28

Family

ID=69282996

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911099023.1A Active CN110746780B (zh) 2019-11-11 2019-11-11 一种轻质高强隔热透波复合材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110746780B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114057475B (zh) * 2020-11-23 2022-11-11 航天特种材料及工艺技术研究所 一种二氧化硅陶瓷基复合材料及其制备方法
CN114525034A (zh) * 2022-01-24 2022-05-24 中北大学 一种复合材料及雷达天线罩的低温热压罐成型方法
CN115449219B (zh) * 2022-09-01 2024-02-02 中国建筑材料科学研究总院有限公司 二氧化硅气凝胶石英纤维聚酰亚胺三元复合材料及其制备方法和应用
CN116100932A (zh) * 2022-10-24 2023-05-12 航天特种材料及工艺技术研究所 一种用于制备介电调控纤维增强树脂基复合材料的方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101891957A (zh) * 2010-08-13 2010-11-24 中国兵器工业集团第五三研究所 一种有机硅树脂基耐热透波复合材料及制备方法
CN104446584A (zh) * 2014-11-03 2015-03-25 湖北三江航天江北机械工程有限公司 变密度宽频透波石英复合陶瓷天线罩罩体的成型方法
CN106630983A (zh) * 2016-12-23 2017-05-10 湖北三江航天江北机械工程有限公司 防隔热一体化天线罩的制备方法及其模具
CN108504092A (zh) * 2018-04-16 2018-09-07 航天特种材料及工艺技术研究所 一种介电可调氰酸酯基复合材料及其制备方法
KR101972265B1 (ko) * 2018-05-14 2019-04-24 문정호 고강도 모르타르 조성물 및 보강재를 이용한 콘크리트 구조물 보수 보강 공법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101891957A (zh) * 2010-08-13 2010-11-24 中国兵器工业集团第五三研究所 一种有机硅树脂基耐热透波复合材料及制备方法
CN104446584A (zh) * 2014-11-03 2015-03-25 湖北三江航天江北机械工程有限公司 变密度宽频透波石英复合陶瓷天线罩罩体的成型方法
CN106630983A (zh) * 2016-12-23 2017-05-10 湖北三江航天江北机械工程有限公司 防隔热一体化天线罩的制备方法及其模具
CN108504092A (zh) * 2018-04-16 2018-09-07 航天特种材料及工艺技术研究所 一种介电可调氰酸酯基复合材料及其制备方法
KR101972265B1 (ko) * 2018-05-14 2019-04-24 문정호 고강도 모르타르 조성물 및 보강재를 이용한 콘크리트 구조물 보수 보강 공법

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
石英/低聚倍半硅氧烷改性有机硅透波材料性能研究;魏化震等;《兵工学报》;20151231;第36卷(第12期);第2350-2357页 *
空心石英纤维/酚醛树脂复合材料的结构与性能;吴文敬等;《宇航材料工艺》;20181015(第5期);第30-33页 *
耐高温透波气凝胶复合材料性能;张丽娟等;《宇航材料工艺》;20150815(第4期);第47-53页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110746780A (zh) 2020-02-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110746780B (zh) 一种轻质高强隔热透波复合材料及其制备方法
CN104058630B (zh) 一种新型保温板及其制备方法
Jin et al. Lightweight and multiscale needle quartz fiber felt reinforced siliconoxycarbide modified phenolic aerogel nanocomposite with enhanced mechanical, insulative and flame-resistant properties
CN105439505B (zh) 一种SiO2气凝胶砂浆及其制备方法
CN101891957B (zh) 一种有机硅树脂基耐热透波复合材料及制备方法
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
CN104371648B (zh) 一种石墨烯改性的摩擦材料的制备方法
CN110590386B (zh) 一种碳纤维混杂保护方法及其耐烧蚀复合材料制备
CN102531556A (zh) 一种高抗压低密度的空心无机氧化物微球的制备方法
CN111574808A (zh) 一种轻质隔热复合材料及其制备方法
Liu et al. In situ preparation of intrinsic flame retardant urea formaldehyde/aramid fiber composite foam: Structure, property and reinforcing mechanism
WO2019127992A1 (zh) 一种预浸料、复合材料及其制备方法和应用
CN104497473A (zh) 一种纤维增强酚醛泡沫复合材料及其制备方法
CN107880544B (zh) 一种高抗冲刷可陶瓷化阻燃树脂及制备方法
CN111748205B (zh) 一种适合于湿法缠绕的耐高温透波杂化树脂体系及其制备方法
CN115572183B (zh) 一种高强度耐高温隔热材料及其制备方法
CN106589962A (zh) 双马树脂/硅橡胶耐烧蚀绝热复合材料及其制备方法
CN108178601B (zh) 用于陶瓷注浆成型的石膏模具及其制备方法
CN106700584A (zh) 一种气凝胶密度板及其制备方法
CN105038109A (zh) 一种高温防热树脂复合材料的制备方法
CN112500181B (zh) 氧化硅短纤维模压陶瓷天线窗复合材料及其制备方法
KR100673432B1 (ko) 탄소나노튜브를 함유한 탄소 복합체의 제조방법
CN108690320A (zh) 轻质汽车盖板及其制备方法
CN110294632B (zh) 碳纤维立体织物增强聚酰亚胺-碳基双元基体复合材料
CN106187263A (zh) C/C‑SiC复合材料部件的制造方法及C/C‑SiC复合材料部件

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant