本發(fā)明涉及一種變梯度酚醛浸漬碳纖維燒蝕復合材料(pica)的制備方法，尤其是用于航天載人飛行器表面的輕質(zhì)熱防護材料的制備。

背景技術(shù)：

近年來我國航天事業(yè)飛速發(fā)展，特別是載人飛行器引起了科研人員的廣泛關(guān)注，該類型飛行器長時間飛行、中低熱流密度、中等焓值的服役特征對熱防護材料及其結(jié)構(gòu)提出了新的應用環(huán)境及要求，包括長時間防熱、高效隔熱、高承載能力、高可靠性等。載人飛行器再入時的熱流隨再入軌道的不同而不同，針對載人飛行器以第二宇宙速度再入時熱流的特點，設(shè)計研制一種與之相匹配的變梯度燒蝕復合材料是非常必要的。本發(fā)明所涉及的此種變梯度燒蝕復合材料(pica)的制備方法適用于各種不同密度梯度的pica材料，從而為不同再入軌道的飛行器提供安全可靠的燒蝕熱防護材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的變梯度酚醛浸漬碳纖維燒蝕復合材料(pica)的制備方法，依次包括如下步驟：a：對碳氈進行表面處理；b：將經(jīng)過表面處理的碳氈浸入一定濃度的硼改性酚醛樹脂的無水乙醇溶液中，采用真空壓力浸漬工藝，制得一定厚度的pica薄片；c：將制得的不同密度的pica薄片分層疊加，放入馬弗爐中固化成型，制得所需密度和梯度的變梯度pica材料。

商品碳纖維在出廠時表面通常涂有一層上漿劑，這層上漿劑在碳纖維成型時起到保護碳纖維的作用，但該上漿劑對纖維的浸潤性能會產(chǎn)生影響，因此需要對碳纖維進行預處理(除膠處理)，即除去附在碳纖維表面的有機雜質(zhì)和污染物。另外，從化學角度分析，碳纖維表面可能含有一種或多種官能團。例如，在未處理碳纖維表面上可能存在低濃度的羧基和羥基及其它官能團(包括羰基和內(nèi)酯基基團)。經(jīng)過表面處理后，碳纖維表面含氧官能團濃度增加，碳纖維表面的極性含氧官能團能夠與極性水分子締合形成氫鍵，氫鍵的形成及分子之間的范德華力，可以增大碳纖維的親水性和浸潤性，提高碳纖維與酚醛樹脂的粘結(jié)強度，從而提高碳纖維復合材料的界面性能和燒蝕性能。

本發(fā)明選用的碳氈采用短切碳纖維加工而成，且碳纖維為面內(nèi)隨機分布排列，采用丙酮脫漿+氣液雙效法+偶聯(lián)劑處理的方法對碳纖維進行表面處理。具體步驟為：a：用丙酮對碳氈進行除膠處理；b：運用氣液雙效法即空氣氧化+酸氧化，對碳纖維進行氧化刻蝕處理；c：用硅烷偶聯(lián)劑kh550進行處理，進一步提高碳纖維的浸潤性，提高碳纖維與酚醛樹脂的結(jié)合力，改善pica復合材料的力學性能。

本發(fā)明選用的酚醛樹脂為硼改性酚醛樹脂。硼改性酚醛樹脂具有優(yōu)良的瞬時耐高溫性能和力學性能，是優(yōu)良的耐燒蝕材料。需要說明的是，針對不同的應用環(huán)境，也可選用其他的改性酚醛樹脂，如鉬改性酚醛樹脂、有機硅改性酚醛樹脂等。

在真空壓力浸漬過程中，采用真空泵將密閉容器中的空氣抽空，利用壓力差促進樹脂的浸漬，通過改變浸漬劑中酚醛樹脂的質(zhì)量濃度來控制復合材料中酚醛樹脂的質(zhì)量比例，從而控制各pica薄片的密度，制得所需密度和梯度的變梯度pica材料。

附圖說明

圖1為飛行器再入時氣動加熱的熱流密度隨高度變化示意圖。

圖2為本發(fā)明的變梯度pica材料結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的制備工藝流程圖。

具體實施方式

如圖1所示，飛行器再入時的熱流密度是急劇變化的，根據(jù)飛行器再入時熱流密度由小變大再變小的規(guī)律，制備一種兩邊密度小、中間密度大的變梯度pica燒蝕復合材料。

首先對碳纖維進行表面處理，具體步驟如下：

(1)碳纖維除膠處理：將碳纖維浸泡在丙酮溶液中24h，隨后超聲處理20min，將處理后的碳纖維放入真空鼓風干燥箱80℃烘干至恒定重量；

(2)空氣氧化處理：將除膠處理后的碳纖維放入箱式電阻爐中進行空氣氧化處理，處理溫度為350℃，處理時間為1h；然后放入肥皂水中超聲清洗10min，去除氧化殘留物；再用蒸餾水超聲清洗20min，最后放入鼓風干燥箱中80℃烘干至恒重；

(3)酸氧化處理：將碳纖維放入濃硝酸(分析純，濃度為65％)中進行酸氧化處理，處理溫度為50℃，處理時間為4h；然后放入蒸餾水中超聲清洗20min，使其呈中性，最后放入鼓風干燥箱中80℃烘干至恒重；

(4)偶聯(lián)劑處理：配制質(zhì)量分數(shù)為3％的硅烷偶聯(lián)劑(kh550)無水乙醇溶液，并將碳纖維放入其中，浸泡20min，然后放入鼓風干燥箱中80℃烘干至恒重。

然后以經(jīng)過表面處理的碳氈為原料，采用分層制備法，通過控制浸漬劑的濃度，制備出一種兩邊密度小、中間密度大的變梯度酚醛樹脂浸漬碳纖維燒蝕復合材料，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，具體步驟如下：

(1)浸漬劑配制：將硼改性酚醛樹脂加入無水乙醇中，配成質(zhì)量濃度分別為10％、15％、20％的浸漬劑備用；

(2)真空浸漬：利用模具將碳氈浸沒到酚醛樹脂溶液中，將模具放入真空鼓風干燥箱，然后利用真空泵逐漸抽出干燥箱中的空氣，常溫下浸漬12h；

(3)干燥：將浸漬好的碳氈放入鼓風干燥箱中，并在其表面施加一定的壓力，80℃下干燥一段時間，具體時間不等，以浸漬好的碳氈不再有溶液滴下為準；

(4)分層疊加：利用1～3步制得的不同密度的層片，按如圖2所示的兩邊密度小、中間密度大的方式疊加在一起，放入鼓風干燥箱，并在其表面施加一定的壓力，80℃下干燥10h；

(5)固化：將干燥好的浸漬體放入馬弗爐中，同樣在其表面施加一定的壓力，150℃下固化1h，180℃下固化3h，隨爐自然冷卻至室溫得到變梯度pica燒蝕復合材料。

最后需要注意的是，公布實施方式的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應該理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的申請和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應局限于實施示例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種變梯度酚醛浸漬碳纖維燒蝕復合材料(PICA)的制備方法。本發(fā)明以經(jīng)過表面處理的碳氈為增強材料，硼改性酚醛樹脂為基體材料，采用分層制備法，制備兩邊密度小、中間密度大的變梯度PICA燒蝕材料。首先采用丙酮脫漿+氣液雙效法+偶聯(lián)劑處理的方法對碳氈進行表面處理；然后將經(jīng)過表面處理的碳氈浸入一定質(zhì)量濃度的硼改性酚醛樹脂的無水乙醇溶液中，采用真空壓力浸漬工藝，制得一定厚度的PICA薄片；最后將制得的不同密度的PICA薄片分層疊加，放入馬弗爐中固化成型，并通過一系列的性能表征對制備工藝參數(shù)進行優(yōu)化，最終制得所需密度和梯度的變梯度PICA材料。

技術(shù)研發(fā)人員：田野;黃海明;李瑋潔;郭瑾;王爽;黃國;趙喆;姚軍
受保護的技術(shù)使用者：北京交通大學
技術(shù)研發(fā)日：2017.03.13
技術(shù)公布日：2017.07.14