CN112175335B - 一种耐烧蚀航空航天材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐烧蚀航空航天材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐烧蚀航空航天材料及其制备方法，属于航空航天材料技术领域。本发明的耐烧蚀航空航天材料，按照质量份计，原料包括以下组分：聚芳基乙炔80‑100份、酚醛树脂7‑9份、陶瓷粉体40‑50份、硼化锆4‑8份和增强纤维70‑90份；制备方法如下：将酚醛树脂和聚芳基乙炔混合得到混合基体，加入硼化锆分散后，加入预处理的陶瓷粉体和增强纤维，超声固化后即可。本发明能够实现复合材料具有良好的力学性能和烧蚀性能，使得材料可靠性得到显著提高，同时制备工艺简单，制备周期短、成本低。

Description

一种耐烧蚀航空航天材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及航空航天材料技术领域，特别是涉及一种耐烧蚀航空航天材料及其制备方法。
背景技术
目前，我国航空航天事业的发展已经取得了巨大成就，高水平及超高水平的航空航天活动频繁，对人类社会生活产生了广泛和深远的影响，而应该指出的是，航空航天事业取得的巨大成就，与航空航天材料技术的发展和突破是分不开的，材料是现代高新技术和产业的基础与先导，很大程度上是高新技术取得突破的前提条件。航空航天材料的发展对航空航天技术起到强有力的支撑和保障作用；同时，航空航天技术的发展需求又极大地引领和促进航空航天材料的发展，推动航空航天材料朝着质量更高、品类更新、功能更强和更具经济实效的方向发展。
航空航天材料性能和质量要求极端严格，产品制造技术复杂，严重制约着材料应用和发展。当航天飞行器以高超声速往返大气时，在气动加热下，其表面温度高达4000-8000℃；固体和液体火箭发动机工作时，燃烧室产生的高速气流冲刷喷管，烧蚀最苛刻的喉衬部位温度瞬间可超过3000℃，因此必须采取有效的热防护方法，以保护内部结构在一定温度范围内正常工作。目前主要的方法是通过表面材料的自身烧蚀引起质量损失，吸收并带走大量的热量，从而阻止外部热量向结构内部传递。
酚醛树脂在烧蚀复合材料发展中扮演着重要角色，尤其在低成本烧蚀复合材料方面具有不可替代的地位，但传统酚醛树脂存在脆性大、残炭率低等缺点。聚芳炔(Polyarylacetylene，缩写PAA)是一类由炔基(通常是端炔基)芳烃为单体聚合而成的高性能聚合物，由于其具有杰出的耐热性能以及优良的工艺性能，引起了各国高技术界的重视，已经成为新一代航空航天耐高温复合材料的优选树脂基体。虽然聚芳炔树脂具有较优异的耐热性能以及优良的工艺性能，但以聚芳炔为基体制备得到的复合材料依然存在材料脆性较大，力学性能不理想的缺陷，且耐烧结性能依然有待提高。
基于上述现状，提供一种力学性能、耐烧结性能优异的耐烧蚀材料是目前航空航天领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐烧蚀航空航天材料及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，使其具有良好的力学性能和耐烧结性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种耐烧蚀复合材料，按照质量份计，原料包括以下组分：
聚芳基乙炔80-100份、酚醛树脂7-9份、陶瓷粉体40-50份、硼化锆4-8份和增强纤维70-90份。
进一步地，所述陶瓷粉体为B4C、蒙脱土和高硅氧纤维中的一种或几种。
进一步地，所述增强纤维为高硅氧纤维、聚苯并恶唑和SiC纤维中的一种或几种。
进一步地，按照质量份计，原料包括以下组分：
聚芳基乙炔80份、酚醛树脂9份、陶瓷粉体50份、硼化锆4份和增强纤维90份。
本发明还提供一种上述耐烧蚀复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将陶瓷粉体在NaOH水溶液中进行分散，然后抽滤清洗至滤液呈中性，将陶瓷粉体烘干后分散于无水乙醇中，加入锆铝酸盐偶联剂搅拌，抽滤后再次将粉体烘干，得到预处理陶瓷粉体；
(2)将酚醛树脂加入到聚芳基乙炔中，混合，搅拌均匀，得到混合基体；
(3)向混合基体中加入硼化锆，超声分散，然后在搅拌状态下，加入预处理陶瓷粉体，维持搅拌状态10-20min，得混合物；
(4)向步骤(3)的混合物中加入增强纤维，超声分散，固化处理后制得耐烧蚀复合材料。
进一步地，所述锆铝酸盐偶联剂的添加量为陶瓷粉体质量的0.5-3％。
进一步地，步骤(3)和(4)中超声分散时间为0.5-1h。
进一步地，所述固化处理是在10MPa-14MPa、155-165℃温度下固化55-60min。
本发明公开了以下技术效果：
本发明利用酚醛树脂对聚芳基乙炔进行改性，同时加入硼化锆，能够在不降低残炭率和烧蚀性能的情况下，显著改善聚芳炔树脂的力学性能；同时，硼化锆的加入还能增强陶瓷粉体的在烧蚀时的性能，保证在2000℃-3000℃环境下陶瓷粉体能够形成致密的陶瓷层，有效保护纤维不被破坏，实现抗高温和烧蚀的目的。
本发明能够实现复合材料具有良好的力学性能和烧蚀性能，使得材料可靠性得到显著提高，同时制备工艺简单，制备周期短、成本低。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。
实施例1
一种耐烧蚀复合材料，按照质量份计，原料包括以下组分：
聚芳基乙炔80份、酚醛树脂9份、陶瓷粉体50份、硼化锆4份和增强纤维90份。
制备方法包括以下步骤：
(1)将B4C和蒙脱土质量比1:1的混合陶瓷粉体在NaOH水溶液中(NaOH含量为5wt％)分散处理10min，然后用去离子水抽滤清洗至滤液呈中性，150℃烘干后分散于无水乙醇中，加入锆铝酸盐偶联剂作为表面改性剂搅拌，抽滤后于140℃烘干，得到预处理陶瓷粉体；
其中，锆铝酸盐偶联剂的添加量为陶瓷粉体质量的0.5％；
(2)将酚醛树脂加入到聚芳基乙炔中，混合，搅拌均匀，得到混合基体；
(3)向混合基体中加入硼化锆，超声波分散0.5h，然后在搅拌状态下，加入预处理的陶瓷粉体，维持搅拌10min，得混合物；
(4)向步骤(3)的混合物中加入增强纤维(高硅氧纤维和聚苯并恶唑质量比为1:1)，超声分散1h，然后在13MPa下、160℃下固化60分钟制得耐烧蚀复合材料。
本实施例制备得到的耐烧蚀复合材料的密度为1.357g/cm3，抗压强度12.1MP，常温热导率0.176W/m·K。氧乙炔焰按GJB 323A-96标准烧蚀60s，线烧蚀率0.04mm/s，耐烧蚀复合材料的残炭率为82％。
实施例2
一种耐烧蚀复合材料，按照质量份计，原料包括以下组分：
聚芳基乙炔100份、酚醛树脂7份、陶瓷粉体40份、硼化锆7份和增强纤维80份。
制备方法包括以下步骤：
(1)将B4C和高硅氧纤维质量比1:2的混合陶瓷粉体在NaOH水溶液中(NaOH含量为5wt％)分散处理20min，然后用去离子水抽滤清洗至滤液呈中性，145℃烘干后分散于无水乙醇中，加入锆铝酸盐偶联剂作为表面改性剂搅拌，抽滤后于150℃烘干，得到预处理陶瓷粉体；
其中，锆铝酸盐偶联剂的添加量为陶瓷粉体质量的1％；
(2)将酚醛树脂加入到聚芳基乙炔中，混合，搅拌均匀，得到混合基体；
(3)向混合基体中加入硼化锆，超声波分散1h，然后在搅拌状态下，加入预处理的陶瓷粉体，维持搅拌20min，得混合物；
(4)向步骤(3)的混合物中加入增强纤维(聚苯并恶唑和SiC纤维的质量比为1:1)，超声分散0.8h，然后在14MPa下、165℃下固化55分钟制得耐烧蚀复合材料。
本实施例制备得到的耐烧蚀复合材料的密度为1.367g/cm3，抗压强度11.9MP，常温热导率0.178W/m·K。氧乙炔焰按GJB 323A-96标准烧蚀60s，线烧蚀率0.05mm/s，耐烧蚀复合材料的残炭率为81.2％。
实施例3
一种耐烧蚀复合材料，按照质量份计，原料包括以下组分：
聚芳基乙炔90份、酚醛树脂8份、陶瓷粉体45份、硼化锆8份和增强纤维85份。
制备方法包括以下步骤：
(1)将蒙脱土和高硅氧纤维质量比2:1的混合陶瓷粉体在NaOH水溶液中(NaOH含量为5wt％)分散处理15min，然后用去离子水抽滤清洗至滤液呈中性，130℃烘干后分散于无水乙醇中，加入锆铝酸盐偶联剂作为表面改性剂搅拌，抽滤后于125℃烘干，得到预处理陶瓷粉体；
其中，锆铝酸盐偶联剂的添加量为陶瓷粉体质量的3％；
(2)将酚醛树脂加入到聚芳基乙炔中，混合，搅拌均匀，得到混合基体；
(3)向混合基体中加入硼化锆，超声波分散0.8h，然后在搅拌状态下，加入预处理的陶瓷粉体，维持搅拌18min，得混合物；
(4)向步骤(3)的混合物中加入增强纤维聚苯并恶唑，超声分散0.7h，然后在12MPa下、155℃下固化58分钟制得耐烧蚀复合材料。
本实施例制备得到的耐烧蚀复合材料的密度为1.362g/cm3，抗压强度12.0MP，常温热导率0.179W/m·K。氧乙炔焰按GJB 323A-96标准烧蚀60s，线烧蚀率0.04mm/s，耐烧蚀复合材料的残炭率为81.8％。
实施例4
一种耐烧蚀复合材料，按照质量份计，原料包括以下组分：
聚芳基乙炔95份、酚醛树脂9份、陶瓷粉体50份、硼化锆5份和增强纤维70份。
制备方法包括以下步骤：
(1)将高硅氧纤维陶瓷粉体在NaOH水溶液中(NaOH含量为5wt％)分散处理18min，然后用去离子水抽滤清洗至滤液呈中性，125℃烘干后分散于无水乙醇中，加入锆铝酸盐偶联剂作为表面改性剂搅拌，抽滤后于145℃烘干，得到预处理陶瓷粉体；
其中，锆铝酸盐偶联剂的添加量为陶瓷粉体质量的2％；
(2)将酚醛树脂加入到聚芳基乙炔中，混合，搅拌均匀，得到混合基体；
(3)向混合基体中加入硼化锆，超声波分散0.7h，然后在搅拌状态下，加入预处理的陶瓷粉体，维持搅拌15min，得混合物；
(4)向步骤(3)的混合物中加入增强纤维(高硅氧纤维和SiC纤维质量比为1.2:1)，超声分散0.5h，然后在10MPa下、158℃下固化59分钟制得耐烧蚀复合材料。
本实施例制备得到的耐烧蚀复合材料的密度为1.363g/cm3，抗压强度11.8MP，常温热导率0.178W/m·K。氧乙炔焰按GJB 323A-96标准烧蚀60s，线烧蚀率0.05mm/s，耐烧蚀复合材料的残炭率为82.2％。
对比例1
与实施例1不同之处在于，不添加酚醛树脂。
制备得到的耐烧蚀复合材料的密度为1.423g/cm3，抗压强度8.6MP，常温热导率0.212W/m·K。氧乙炔焰按GJB 323A-96标准烧蚀60s，线烧蚀率0.02mm/s，耐烧蚀复合材料的残炭率为76.1％。
对比例2
与实施例1不同之处在于，不添加硼化锆。
制备得到的耐烧蚀复合材料的密度为1.485g/cm3，抗压强度8.02MP，常温热导率0.234W/m·K。氧乙炔焰按GJB 323A-96标准烧蚀60s，线烧蚀率0.03mm/s，耐烧蚀复合材料的残炭率为69.2％。
对比例3
与实施例1不同之处在于，不添加酚醛树脂和硼化锆。
制备得到的耐烧蚀复合材料的密度为1.501g/cm3，抗压强度7.11MP，常温热导率0.180W/m·K。氧乙炔焰按GJB 323A-96标准烧蚀60s，线烧蚀率0.05mm/s，耐烧蚀复合材料的残炭率为82.1％。
对比例4
与实施例1不同之处在于，不进行陶瓷粉体预处理。
制备得到的耐烧蚀复合材料的密度为1.511g/cm3，抗压强度9.13MP，常温热导率0.254W/m·K。氧乙炔焰按GJB 323A-96标准烧蚀60s，线烧蚀率0.03mm/s，耐烧蚀复合材料的残炭率为70.1％。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种耐烧蚀复合材料，其特征在于，按照质量份计，原料包括以下组分：
聚芳基乙炔80-100份、酚醛树脂7-9份、陶瓷粉体40-50份、硼化锆4-8份和增强纤维70-90份；
所述耐烧蚀复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将陶瓷粉体在NaOH水溶液中进行分散，然后抽滤清洗至滤液呈中性，将陶瓷粉体烘干后分散于无水乙醇中，加入锆铝酸盐偶联剂搅拌，抽滤后再次将粉体烘干，得到预处理陶瓷粉体；
(2)将酚醛树脂加入到聚芳基乙炔中，混合，搅拌均匀，得到混合基体；
(3)向混合基体中加入硼化锆，超声分散，然后在搅拌状态下，加入预处理陶瓷粉体，维持搅拌状态10-20min，得混合物；
(4)向步骤(3)的混合物中加入增强纤维，超声分散，固化处理后制得耐烧蚀复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种耐烧蚀复合材料，其特征在于，所述陶瓷粉体为B4C、蒙脱土和高硅氧纤维中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种耐烧蚀复合材料，其特征在于，所述增强纤维为高硅氧纤维、聚苯并恶唑和SiC纤维中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种耐烧蚀复合材料，其特征在于，按照质量份计，原料包括以下组分：
聚芳基乙炔80份、酚醛树脂9份、陶瓷粉体50份、硼化锆4份和增强纤维90份。
5.根据权利要求1所述的耐烧蚀复合材料，其特征在于，所述锆铝酸盐偶联剂的添加量为陶瓷粉体质量的0.5-3%。
6.根据权利要求1所述的耐烧蚀复合材料，其特征在于，步骤(3)和(4)中超声分散时间为0.5-1h。
7.根据权利要求1所述的耐烧蚀复合材料，其特征在于，所述固化处理是在10MPa-14MPa、155-165℃温度下固化55-60min。
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