CN113665191B - 一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料及其制备方法，所述制备方法包括酚醛泡沫块体材料的制备；酚醛泡沫块体材料与碳基面板的复合以及酚醛泡沫块体材料与碳基面板复合之后的固化成型，通过3个主要步骤制备得到碳基面板夹层碳泡沫一体化材料；制备过程中无任何粘接剂或者胶黏剂，通过高温熔融或裂解碳化后上下表面面板即可成型，制备得到的碳基面板夹层碳泡沫一体化材料热导率为0.058W/(m·K)～0.063W/(m·K)，密度为0.38g/cm3，具有良好的隔热性能。

Description

一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及热防护材料技术领域，尤其涉及一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料及其制备方法。
背景技术
热防护系统(Thermal Protection System，TPS)是航天器或服役在高温环境下部件所必需的关键子系统，是保障航天器在极端环境下安全服役最为关键的技术之一，隔热材料是热防护系统的重要组成部分，它可以防止热量从外部向内部传递。所以航天器或服役在高温环境下部件等迫切需求一种具备高温稳定性、低导热的热防护系统。氧化铝、莫来石、氧化硅等虽具备优异的性能，但它们承受温度均达不到2000℃，其在高温环境下容易变成熔融态，高温稳定性较差，无法长时间在太空环境中使用，导致其无法成为热防护系统所需材料。碳泡沫材料因其具备优异的高真空稳定性、良好的隔热性能，在军事和航空航天等领域具有广泛的应用前景。目前，研究者正致力于研发具备更高强度以及隔热性能的碳泡沫材料。近期，NASA正在进行的SPP任务所使用的帕克号航天飞行器已发射升空，其使用的热防护系统即碳泡沫隔热材料，说明碳泡沫材料在深空探测领域确实有巨大的应用潜力。在应用过程中，往往需要对其表面进行封孔处理，或是用碳基复合材料通过机械连接或胶结的形式与其组合形成夹层结构，但是通常的胶结或是机械连接，工艺复杂且稳定性较差。
因此，针对以上不足，需要提供一种新型结构来提升材料的稳定性、隔热性等性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于现有的碳泡沫材料需要胶结或机械连接，工艺复杂稳定性差，防热性能较差，针对现有技术中的缺陷，提供一种无需粘接的多层夹层结构，在保持原有隔热性能的同时提高了材料的力学性能，还具有轻质、热膨胀系数低、密度小、比表面积大、高真空稳定性、良好的抗热冲击性等性能，可以满足热防护系统中对耐高温隔热材料的使用需求。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料及其制备方法。第一方面，本发明提供了一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将酚醛树脂乙醇溶液与乳化剂、发泡剂和固化剂混合后，置于第一模具中固化得到酚醛泡沫块体材料；
(2)将酚醛树脂乙醇溶液与乳化剂、固化剂混合置于第二模具中，然后将步骤(1)得到的酚醛泡沫块体材料置于第二模具中，经过固化后得到单侧表面具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体复合材料，接着将单侧表面具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体材料置于第三模具中，再将酚醛树脂乙醇溶液与乳化剂、固化剂混合后置于第三模具中，经过固化后，得到两侧表面均具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体复合材料；
或者，将碳纤维布铺于步骤(1)得到的酚醛泡沫块体材料的两侧表面，置于第四模具中固化，得到碳基面板夹层碳泡沫材料预制体；
(3)将步骤(2)得到的两侧表面均具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体复合材料或碳基面板夹层碳泡沫材料预制体，经过热处理，得到所述碳基面板夹层碳泡沫一体化材料。
本发明创新的提出无胶结碳基面板夹层碳泡沫一体化材料的制备方法，制备过程中无任何粘接剂或者胶黏剂，通过高温熔融或裂解碳化后上下表面面板即可成型，由于酚醛树脂在这样的状态下表面碳层与碳泡沫连接处形成了节点，使得碳基面板夹层碳泡沫一体化材料具有更高的力学性能，并且其形成的结构为多孔结构，制备过程中可以通过调整孔径大小和孔隙率，引入碳微珠、黏土、晶须、气凝胶等，改变孔分布结构，改善碳泡沫的热力学性能，获得高强、轻质、隔热性能更佳优异的耐高温隔热材料。
在本发明中，碳基面板夹层碳泡沫一体化材料可以通过碳纤维布与酚醛泡沫块体材料一体化成型，也可以通过酚醛树脂形成的层与酚醛泡沫块体材料一体化成型。
本发明整体制备工艺简单易操作，尺寸和形状可调控。不仅可以制备成上述结构，也可以制备成更多层的结构。例如碳基面板、碳泡沫、碳基面板、碳泡沫、碳基面板形成的多层结构，也可以是碳基面板、碳泡沫依次交替形成的更多层的结构。
本发明中所述单侧表面，指的是面积最大的一个面的表面，其一般作为上表面或者下表面；本发明中所述两侧表面，指的是面积最大的两个面的表面，这两个表面分别作为上表面和下表面。
优选地，步骤(1)中所述酚醛树脂乙醇溶液中酚醛树脂与无水乙醇的质量比为(2.5～4)∶1，例如可以是2.5∶1、3∶1、3.5∶1或4∶1等等，优选为3∶1。在本发明中，酚醛树脂乙醇溶液中酚醛树脂与无水乙醇的质量比，会影响溶液最终形成的粘度。一般而言，酚醛树脂含量过高会超出酚醛树脂在乙醇中的溶解度；酚醛树脂含量过低，不易在一定时间内达到所需粘度，形成所需粘度溶液时间过长。
优选地，所述酚醛树脂乙醇溶液的粘度为25000～40000cP，优选为30000cP。在本发明中，酚醛树脂乙醇溶液的粘度，对于制备过程中形成的具体结构会产生影响，不同的粘度下形成不同的结构，其力学性能、隔热性能会产生变化。一般来说，粘度过高，在发泡过程中无法均匀发泡，发泡率低，泡壁较厚；粘度过低，发泡过程中导致部分气泡在固化前破裂，无法稳定发泡。
本发明中酚醛树脂加入无水乙醇通过搅拌得到所需粘度，采用低温常压快速制备的方法。
优选地，步骤(1)中所述乳化剂的质量为酚醛树脂乙醇溶液质量的2％～4％，例如可以是2％、2.5％、3％、3.5％或4％等，优选为3％。在本发明中，乳化剂的加入是为了降低酚醛树脂的表面张力，加入量过多会导致表面张力太低无法发泡；加入量过低会使表面张力过大阻碍发泡。
优选地，步骤(1)中所述发泡剂的质量为酚醛树脂乙醇溶液质量的2.5％～3％，例如可以是2.5％、2.6％、2.7％、2.8％、2.9％或3％等，超过该比例范围产生的气泡孔径过大且发泡大小不均匀；低于该比例范围会使酚醛树脂发泡不完全。
优选地，步骤(1)中所述固化剂的质量为酚醛树脂乙醇溶液质量的6％～10％，例如可以是6％、7％、8％、9％或10％等，优选为8％，固化剂的量过高导致酚醛树脂溶液无法搅拌均匀，进而影响发泡；加入量过低会导致在固化过程中泡沫固化速率降低，泡沫平均孔径过大。
优选地，步骤(1)中在固化之前，将第一模具提前预热1～3h，例如可以是1h、2h或3h等。
优选地，步骤(1)中所述固化的温度为60～80℃，例如可以是60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等。
优选地，步骤(1)中所述固化的时间为1～5h，例如可以是1h、2h、3h、4h或5h等。
优选地，步骤(2)中所述乳化剂的质量相对于酚醛树脂乙醇溶液的质量，与步骤(1)中乳化剂的质量相对于酚醛树脂乙醇溶液的质量相同。
优选地，步骤(2)中所述固化剂的质量相对于酚醛树脂乙醇溶液的质量，与步骤(1)中固化剂的质量相对于酚醛树脂乙醇溶液的质量相同。
在本发明中，不同步骤中使用的固化剂、乳化剂的种类一般是相同的，并且在不同步骤下的用量也是相同的。
优选地，在第二模具中，所述固化的温度为60～80℃，例如可以是60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等。
优选地，在第三模具中，所述固化的温度为60～80℃，例如可以是60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等。
优选地，步骤(2)中所述碳纤维布的表面浸渍有酚醛树脂乙醇溶液、乳化剂和固化剂组成的混合溶液。本发明的碳纤维布在表面浸渍酚醛树脂与其他组分形成的混合溶液，在烧结后可直接形成碳基面板，即碳碳复合材料，与中间碳泡沫层直接相连，无需添加额外粘接剂。
优选地，步骤(2)中在第四模具中固化的温度为60～80℃，例如可以是60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等。
优选地，所述第一模具、第二模具和第三模具，均为相同的长方体模具，所述长方体模具的长为80mm、宽为80mm、高为50mm。
优选地，步骤(3)中所述热处理的过程为：在保护性气体保护下，以5℃/min的速度将加热升温至300℃，控制时间为30min；然后以2℃/min加热升温至600℃，控制时间为30min；最后以5℃/min加热升温至900℃，控制时间为1～2h；
优选地，所述保护性气体为氮气、氩气或氦气。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述的制备方法制备得到的碳基面板夹层碳泡沫一体化材料。
本发明提供的碳基面板夹层碳泡沫一体化材料热导率为0.058W/(m·K)～0.063W/(m·K)，密度为0.38g/cm3，具有良好的隔热性能。
实施本发明的，具有以下有益效果：
本发明创新的提出无胶结碳基面板夹层碳泡沫一体化材料的制备方法，制备过程中无任何粘接剂或者胶黏剂，通过高温熔融或裂解碳化后上下表面面板即可成型，由于酚醛树脂在这样的状态下表面碳层与碳泡沫连接处形成了节点，使得碳基面板夹层碳泡沫一体化材料具有更高的力学性能，并且其形成的结构为多孔结构，制备过程中可以通过调整孔径大小和孔隙率，引入碳微珠、黏土、晶须、气凝胶等，改变孔分布结构，改善碳泡沫的热力学性能，获得高强、轻质、隔热性能更佳优异的耐高温隔热材料。
本发明提供的碳基面板夹层碳泡沫一体化材料热导率为0.058W/(m·K)～0.063W/(m·K)，密度为0.38g/cm3，具有良好的隔热性能。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的碳基面板夹层碳泡沫一体化材料。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明以下实施例中所使用的酚醛树脂为市售的常规产品，牌号为THC-800、乳化剂为吐温80、发泡剂为正戊烷、固化剂为磷酸和对甲苯磺酸。
实施例1
本实施例提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料，该材料由酚醛树脂溶液制备而成。
酚醛树脂粉体为碳源，采用长宽高分别为80mm、80mm、50mm的长方体模具。
具体制备方法如下：
(1)将100g酚醛树脂加入50ml无水乙醇中，酚醛树脂与无水乙醇的质量比为3∶1，用机械搅拌机进行搅拌，直至所需粘度。机械搅拌器转速为500r/min；搅拌时间3h；酚醛树脂乙醇溶液粘度为30000cP。继续将获得的酚醛树脂乙醇溶液室温环境下进行冷却处理，冷却时间为15min。
(2)向上述酚醛树脂乙醇溶液中加入酚醛树脂乙醇溶液质量的3％的乳化剂，用机械搅拌机搅拌均匀。其中，机械搅拌器转速为500r/min；搅拌时间为10min。接着加入酚醛树脂乙醇溶液质量的2.5％的发泡剂，用机械搅拌机搅拌均匀。其中，机械搅拌器转速为1000r/min；搅拌时间为10min。接着加入酚醛树脂乙醇溶液质量的8％的固化剂，用机械搅拌机搅拌均匀，静置。其中，机械搅拌器转速为600r/min；搅拌时间为10min。
(3)将模具置于烘箱内预热，然后将配置好的步骤(2)酚醛树脂乙醇溶液倒入第一模具中，经过烘箱固化后，得到均匀致密的酚醛泡沫块体材料。其中，烘箱温度为70℃；模具提前预热1h；固化时间3h。
(4)重复步骤(1)(2)，其中步骤(2)中不添加2.5％的发泡剂，得到酚醛树脂乙醇溶液，取10g配置好的酚醛树脂乙醇溶液倒入第二模具中，然后将制备的酚醛泡沫块体材料置入模具中，经过烘箱固化2h后，得到单侧表面具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体复合材料，其厚度约1mm；再取10g剩余酚醛树脂乙醇溶液倒入第三模具中，然后将制备好的具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体复合材料另一表面置入第三模具中，经过烘箱固化2h后，得到两侧表面均具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体复合材料，其厚度约1mm。
(5)将预制的两侧表面具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体放入管式炉中，在惰性气氛保护下热处理，得到碳基面板夹层碳泡沫一体化材料。热处理过程为：先以5℃/min将管式炉加热升温至300℃，控制时间为30min；然后以2℃/min将管式炉加热升温至600℃，控制时间为30min；最后以5℃/min将管式炉加热升温至900℃，控制时间为2h。
制备的材料具体如图1所示，采用GB/T10295-2008测试材料的室温热导率为0.0583W/(m·K)。
实施例2
本实施例提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料，该材料由酚醛树脂溶液制备而成。
酚醛树脂粉体为碳源，采用长宽高分别为80mm、80mm、50mm的长方体模具。
具体制备方法如下：
(1)将100g酚醛树脂加入50ml无水乙醇中，酚醛树脂与无水乙醇的质量比为3∶1，用机械搅拌机进行搅拌，直至所需粘度。机械搅拌器转速为500r/min；搅拌时间3h；酚醛树脂乙醇溶液粘度为30000cP。继续将获得的酚醛树脂乙醇溶液室温环境下进行冷却处理，冷却时间为10min。
(2)向上述酚醛树脂乙醇溶液中加入酚醛树脂乙醇溶液质量的3％的乳化剂，用机械搅拌机搅拌均匀。其中，机械搅拌器转速为500r/min；搅拌时间为10min。接着加入酚醛树脂乙醇溶液质量的3％的发泡剂，用机械搅拌机搅拌均匀。其中，机械搅拌器转速为1000r/min；搅拌时间为10min。接着加入酚醛树脂乙醇溶液质量的8％的固化剂，用机械搅拌机搅拌均匀，静置。其中，机械搅拌器转速为600r/min；搅拌时间为10min。
(3)将模具置于烘箱内预热，然后将配置好的步骤(2)酚醛树脂乙醇溶液倒入第一模具中，经过烘箱固化后，得到均匀致密的酚醛泡沫块体材料。其中，烘箱温度为70℃；模具提前预热1h；固化时间3h。
(4)重复步骤(1)(2)，其中步骤(2)中不添加3％的发泡剂，得到酚醛树脂乙醇溶液，取10g配置好的酚醛树脂乙醇溶液倒入第二模具中，然后将制备的酚醛泡沫块体材料置入模具中，经过烘箱固化2h后，得到单侧表面具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体复合材料，其厚度约1mm；再取10g剩余酚醛树脂乙醇溶液倒入第三模具中，然后将制备好的具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体复合材料另一表面置入第三模具中，经过烘箱固化2h后，得到两侧表面均具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体复合材料，其厚度约1mm。
(5)将预制的两侧表面具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体放入管式炉中，在惰性气氛保护下热处理，得到碳基面板夹层碳泡沫一体化材料。热处理过程为：先以5℃/min将管式炉加热升温至300℃，控制时间为30min；然后以2℃/min将管式炉加热升温至600℃，控制时间为30min；最后以5℃/min将管式炉加热升温至900℃，控制时间为1h。
采用GB/T10295-2008测试材料的室温热导率为0.0592W/(m·K)。
实施例3
本实施例提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料，该材料由酚醛树脂溶液制备而成。
酚醛树脂粉体为碳源，采用长宽高分别为80mm、80mm、50mm的长方体模具。
具体制备方法如下：
(1)将100g酚醛树脂加入50ml无水乙醇中，酚醛树脂与无水乙醇的质量比为3：1，用机械搅拌机进行搅拌，直至所需粘度。机械搅拌器转速为500r/min；搅拌时间3h；酚醛树脂乙醇溶液粘度为30000cP。继续将获得的酚醛树脂乙醇溶液室温环境下进行冷却处理，冷却时间为20min。
(2)向上述酚醛树脂乙醇溶液中加入酚醛树脂乙醇溶液质量的3％的乳化剂，用机械搅拌机搅拌均匀。其中，机械搅拌器转速为500r/min；搅拌时间为10min。接着加入酚醛树脂乙醇溶液质量的2.5％的发泡剂，用机械搅拌机搅拌均匀。其中，机械搅拌器转速为1000r/min；搅拌时间为10min。接着加入酚醛树脂乙醇溶液质量的8％的固化剂，用机械搅拌机搅拌均匀，静置。其中，机械搅拌器转速为600r/min；搅拌时间为10min。
(3)将模具置于烘箱内预热，然后将配置好的步骤(2)酚醛树脂乙醇溶液倒入第一模具中，经过烘箱固化后，得到均匀致密的酚醛泡沫块体材料。其中，烘箱温度为70℃；模具提前预热1h；固化时间3h。
(4)重复步骤(1)(2)，其中步骤(2)中不添加2.5％的发泡剂，得到酚醛树脂乙醇溶液，取20g配置好的酚醛树脂乙醇溶液倒入第二模具中，然后将制备的酚醛泡沫块体材料置入模具中，经过烘箱固化2h后，得到单侧表面具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体复合材料，其厚度为2mm；再取20g剩余酚醛树脂乙醇溶液倒入第三模具中，然后将制备好的具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体复合材料另一表面置入第三模具中，经过烘箱固化2h后，得到两侧表面均具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体复合材料，其厚度约2mm。
(5)将预制的两侧表面具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体放入管式炉中，在惰性气氛保护下热处理，得到碳基面板夹层碳泡沫一体化材料。热处理过程为：先以5℃/min将管式炉加热升温至300℃，控制时间为30min；然后以2℃/min将管式炉加热升温至600℃，控制时间为30min；最后以5℃/min将管式炉加热升温至900℃，控制时间为1h。
采用GB/T10295-2008测试材料的室温热导率为0.0603W/(m·K)。
实施例4
本实施例提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料，该材料由酚醛树脂溶液制备而成。
酚醛树脂粉体为碳源，采用长宽高分别为80mm、80mm、50mm的长方体模具。
具体制备方法如下：
(1)将100g酚醛树脂加入50ml无水乙醇中，酚醛树脂与无水乙醇的质量比为3∶1，用机械搅拌机进行搅拌，直至所需粘度。机械搅拌器转速为500r/min；搅拌时间3h；酚醛树脂乙醇溶液粘度为30000cP。继续将获得的酚醛树脂乙醇溶液室温环境下进行冷却处理，冷却时间为20min。
(2)向上述酚醛树脂乙醇溶液中加入酚醛树脂乙醇溶液质量的3％的乳化剂，用机械搅拌机搅拌均匀。其中，机械搅拌器转速为500r/min；搅拌时间为10min。接着加入酚醛树脂乙醇溶液质量的2.5％的发泡剂，用机械搅拌机搅拌均匀。其中，机械搅拌器转速为1000r/min；搅拌时间为10min。接着加入酚醛树脂乙醇溶液质量的8％的固化剂，用机械搅拌机搅拌均匀，静置。其中，机械搅拌器转速为600r/min；搅拌时间为10min。
(3)将模具置于烘箱内预热，然后将配置好的步骤(2)酚醛树脂乙醇溶液倒入第一模具中，经过烘箱固化后，得到均匀致密的酚醛泡沫块体材料。其中，烘箱温度为70℃；模具提前预热1h；固化时间3h。
(4)重复步骤(1)(2)，其中步骤(2)中不添加2.5％的发泡剂，得到酚醛树脂乙醇溶液，取两份配置好的酚醛树脂乙醇溶液各10g，把1mm厚的碳纤维布分别浸渍到酚醛树脂乙醇溶液中，将浸渍有酚醛树脂乙醇溶液的碳纤维布分别铺在酚醛泡沫块体材料的两侧表面，并放到模具中固定成型，经过烘箱固化2h后，得到两侧表面具有碳/酚醛树脂层的碳基面板夹层碳泡沫材料预制体，其厚度约2mm。
(5)将碳基面板夹层碳泡沫材料预制体放入管式炉中，在惰性气氛保护下热处理，得到碳基面板夹层碳泡沫一体化材料。热处理过程为：先以5℃/min将管式炉加热升温至300℃，控制时间为30min；然后以2℃/min将管式炉加热升温至600℃，控制时间为30min；最后以5℃/min将管式炉加热升温至900℃，控制时间为1h。
采用GB/T10295-2008测试材料的室温热导率为0.0589W/(m·K)。
实施例5
本实施例提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中酚醛树脂与无水乙醇的质量比为2∶1，乙醇添加量相对较多，达到所需粘度时间过长，不利于简化制备过程。
实施例6
本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中酚醛树脂与无水乙醇的质量比为5∶1，酚醛树脂未完全溶解，无法形成均匀溶液，不能进行后续实验。
实施例7
本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中酚醛树脂与无水乙醇的质量比为4∶1，酚醛树脂能够溶解，形成较为均匀溶液。
实施例8
本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中酚醛树脂与无水乙醇的质量比为2.5∶1，酚醛树脂能够溶解，形成较为均匀溶液。
实施例9
本实施例提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中酚醛树脂乙醇溶液的粘度为15000cP，粘度过低发泡过程中气泡破裂，无法形成均匀的泡沫结构，测试材料的热导率为0.1624W/(m·K)。
实施例10
本实施例提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中酚醛树脂乙醇溶液的粘度为56000cP，粘度过高，搅拌过程中无法均匀搅拌，发泡过程中部分酚醛树脂发泡，部分酚醛树脂直接固化。
实施例11
本实施例提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中酚醛树脂乙醇溶液的粘度为80000cP，粘度过高，加入固化剂搅拌过程中酚醛树脂出现固化现象，无法进行后续发泡实验。
实施例12
本实施例提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中乳化剂的用量为酚醛树脂乙醇溶液质量的1％，酚醛树脂溶液表面张力较大，泡沫发泡不均匀，少部分未发泡，测试材料的热导率为0.1434W/(m·K)。
实施例13
本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中乳化剂的用量为酚醛树脂乙醇溶液质量的5％，乳化剂加入量过多，表面张力过低，泡沫无法成形，无法制备成为具有碳泡沫的结构。
实施例14
本实施例提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中发泡剂的用量为酚醛树脂乙醇溶液质量的1.5％，酚醛树脂溶液为完全发泡，对部分泡沫进行热导率测试为0.07561W/(m·K)。
实施例15
本实施例提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中发泡剂的用量为酚醛树脂乙醇溶液质量的4.5％，发泡剂加入量过多，导致发泡孔径过大，泡壁厚度过薄，容易造成泡孔坍塌，泡沫整体力学性能差，稳定性差。
实施例16
本实施例提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中固化剂的用量为酚醛树脂乙醇溶液质量的4％，固化剂加入量过少，固化速率过慢，导致泡沫孔径过大，泡壁厚度过薄，泡沫力学性能差，稳定性差。
实施例17
本实施例提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中固化剂的用量为酚醛树脂乙醇溶液质量的5.8％，固化剂加入量较少，固化速率较慢，泡沫孔径较大，泡壁厚度较薄，泡沫力学性能较差，稳定性较差。
实施例18
本实施例提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中固化剂的用量为酚醛树脂乙醇溶液质量的10.3％，固化剂加入量较多，固化速率较快，少量酚醛树脂未发泡，不能形成均匀稳定的碳泡沫的结构。
实施例19
本实施例提供一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中固化剂的用量为酚醛树脂乙醇溶液质量的13％，固化剂加入量过多，固化速率过快，大部分酚醛树脂未开始发泡反应直接固化，不能形成碳泡沫的结构。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (16)

1.一种碳基面板夹层碳泡沫一体化材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
（1）将酚醛树脂乙醇溶液与乳化剂、发泡剂和固化剂混合后，置于第一模具中固化得到酚醛泡沫块体材料；所述酚醛树脂乙醇溶液中酚醛树脂与无水乙醇的质量比为(2.5~4):1，所述酚醛树脂乙醇溶液的粘度为30000cP；所述乳化剂的质量为酚醛树脂乙醇溶液质量的2%~4%；所述发泡剂的质量为酚醛树脂乙醇溶液质量的2.5%~3%；所述固化剂的质量为酚醛树脂乙醇溶液质量的6%~10%；
（2）将酚醛树脂乙醇溶液与乳化剂、固化剂混合置于第二模具中，然后将步骤（1）得到的酚醛泡沫块体材料置于第二模具中，经过固化后得到单侧表面具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体复合材料，接着将单侧表面具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体材料置于第三模具中，再将酚醛树脂乙醇溶液与乳化剂、固化剂混合后置于第三模具中，经过固化后，得到两侧表面均具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体复合材料；
或者，将碳纤维布铺于步骤（1）得到的酚醛泡沫块体材料两侧表面，置于第四模具中固化，得到碳基面板夹层碳泡沫材料预制体；
（3）将步骤（2）得到的两侧表面均具有酚醛树脂层的酚醛泡沫块体复合材料或碳基面板夹层碳泡沫材料预制体，经过热处理，得到所述碳基面板夹层碳泡沫一体化材料；
其中，热处理的过程为：在保护性气体保护下，以5℃/min的速度将加热升温至300℃，控制时间为30 min；然后以2℃/min加热升温至600℃，控制时间为30 min；最后以5℃/min加热升温至900℃，控制时间为1~2h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述酚醛树脂乙醇溶液中酚醛树脂与无水乙醇的质量比为3:1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述乳化剂的质量为酚醛树脂乙醇溶液质量的3%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述固化剂的质量为酚醛树脂乙醇溶液质量的8%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中在固化之前，将第一模具提前预热1~3h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述固化的温度为60~80℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述固化的时间为1~5h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述乳化剂的质量相对于酚醛树脂乙醇溶液的质量，与步骤（1）中乳化剂的质量相对于酚醛树脂乙醇溶液的质量相同。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述固化剂的质量相对于酚醛树脂乙醇溶液的质量，与步骤（1）中固化剂的质量相对于酚醛树脂乙醇溶液的质量相同。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在第二模具中，所述固化的温度为60~80℃。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在第三模具中，所述固化的温度为60~80℃。
12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述碳纤维布的表面浸渍有酚醛树脂乙醇溶液、乳化剂和固化剂组成的混合溶液。
13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中在第四模具中固化的温度为60~80℃。
14.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一模具、第二模具和第三模具，均为相同的长方体模具，所述长方体模具的长为80mm、宽为80mm、高为50mm。
15.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述保护性气体为氮气、氩气或氦气。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的制备方法制备得到的碳基面板夹层碳泡沫一体化材料。
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