[发明专利]一种热防护烧蚀材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及热防护材料的制备方法。

背景技术

航天器以高超音速冲出大气层和返回地面再入大气层时，其表面在气动加热下温度最高可达几千度，因而需要对航天器进行热防护，来降低其表面温度，进而保护其内部结构。热防护方法主要分为烧蚀法、吸热法和辐射法。其中，烧蚀法由于具有防热效率高、工作可靠、适应流场变化能力强等优点，在航天器热防护结构中被广泛应用。烧蚀法是一种通过表面烧蚀材料在高温下升华、熔化、碳化等反应以及烧蚀后表面碳层的再辐射来消耗热量的积极防热方式。

现有的碳化型热防护烧蚀材料一般是以酚醛树脂、硅树脂或硅橡胶等作为基体。以应用广范的酚醛树脂为基体的碳化型热防护烧蚀材料因采用酚醛树脂具有成本低，工艺简单的特点，但是，以酚醛树脂为基体的碳化型热防护烧蚀材料的密度略高，如以环氧改性酚醛树脂为基体，石英纤维为填料，此烧蚀材料密度为0.55g/cm³。使其难以满足现代高速航天器节约发射成本，提高有效载荷的要求。

发明内容

本发明是要解决现有的以酚醛树脂为基体的碳化型热防护烧蚀材料的密度高的技术问题，而提出一种热防护烧蚀材料及其制备方法。

本发明的一种热防护烧蚀材料的制备方法按以下步骤进行：

一、先按质量百分比称取30％～60％的硼酚醛树脂和40％～70％的微球填料，再按硼酚醛树脂和微球填料总质量的1％～20％称取碳纳米管，再按硼酚醛树脂和微球填料总质量的1～3％称取短切碳纤维；再按硼酚醛树脂和微球填料总质量的0.5％～2％称取偶联剂；

二、将步骤一称取的短切碳纤维浸没于丙酮中浸泡12～20h，用蒸馏水漂洗干净后烘干，然后再将短切碳纤维浸没于浓度为68％的浓硝酸中浸泡2～3h，再用蒸馏水漂洗干净后烘干，最后将短切碳纤维浸没于浓度为1％的KH550偶联剂水溶液中浸泡并超声处理1～2h，再用蒸馏水漂洗干净后烘干，得到表面处理后的短切碳纤维；

三、将步骤一称取的硼酚醛树脂溶解于丙酮中，得到硼酚醛树脂溶液；

四、先将步骤一称取的微球填料、碳纳米管和经步骤二表面处理后的短切碳纤维混合均匀，加入到步骤三制备的硼酚醛树脂溶液中，超声分散均匀，然后再加入步骤一称取的偶联剂，超声分散均匀，得到混合液；再将混合液静置使丙酮挥发，得到混合膏；

五、将模具内表面涂覆一层脱模剂，然后将切割成模具内腔形状的酚醛蜂窝放进模具内，再将步骤四得到的混合膏填充进酚醛蜂窝中，得到复合坯体；固化成型后得到热防护烧蚀材料。

其中步骤一中所述的硼酚醛树脂热解残炭率≥70％。

其中步骤一中所述的微球填料为玻璃空心微球、酚醛空心微球或两种材料按任意比的组合；

其中步骤一中的偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷或γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。

本发明制备的热防护烧蚀材料的密度低至0.2～0.4g/cm³，较现有的烧蚀材料的密度小，线烧蚀率为0.033～0.035mm/s质量烧蚀率为0.0167～0.0187g/s。在填料中添加碳纳米管、短切碳纤维来进一步改善材料的烧蚀性能和隔热性能，通过添加偶联剂来提高基体与填料的粘结性能，采用轻质酚醛蜂窝增强结构，显著提高材料的整体力学性能，实现结构功能一体化。

本发明的热防护烧蚀材料的烧蚀机理属于碳化型烧蚀和熔化型烧蚀相结合，烧蚀后表面强度大。本发明的热防护烧蚀材料可用于航天器热防护材料用。

附图说明

图1是试验三中步骤一中所述的短切纤维的原子力显微镜照片；

图2是试验三中经步骤二的表面处理后的短切碳纤维的原子力显微镜照片；

图3是试验三中得到热防护烧蚀材料的照片；

图4是试验三中热防护烧蚀材料进行氧-乙炔焰烧蚀测试后的照片。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种热防护烧蚀材料的制备方法按以下步骤进行：

一、先按质量百分比称取30％～60％的硼酚醛树脂和40％～70％的微球填料，再按硼酚醛树脂和微球填料总质量的1％～20％称取碳纳米管，再按按硼酚醛树脂和微球填料总质量的1～3％称取短切碳纤维；再按硼酚醛树脂和微球填料总质量的0.5％～2％称取偶联剂；