[发明专利]一种碳基轻质热防护材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种碳基轻质热防护材料及其制备方法和应用。所述热防护材料以碳纤维刚性隔热瓦为基体、其孔隙中梯度复合酚醛气凝胶和硼酚醛树脂致密层组合物，且硼酚醛树脂致密层组合物在刚性隔热瓦基体的高温面形成硼酚醛树脂致密层。本发明提供了所述热防护材料的制备方法，主要包括：制备碳纤维刚性隔热瓦基体，用硼酚醛树脂致密层组合物前驱体涂覆碳纤维刚性隔热瓦基体，然后用酚醛气凝胶前驱体浸渍，再依次经过老化、溶剂置换和超临界干燥得到碳基轻质热防护材料。本发明中制备的材料具有密度低、烧蚀速率慢、热导率低、发射率高、隔热效果好和抗气流冲刷性能优异等特点，在飞行器外表面的热防护材料中具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及功能复合材料技术领域，尤其涉及一种碳基轻质热防护材料及其制备方法和应用。

背景技术

如火星探测器等行星际飞行器高速进入地外行星大气层和从外太空再入地球大气层时，由于速度极快，会产生剧烈的气动加热，因此必须对飞行器的外表面实施热防护措施。飞行器的重量决定了所需运载火箭的推力要求，进而决定了工程的可实现性。所以，降低远行星际探测飞行器外表面热防护系统的重量对于工程的实现十分关键。

早期的大密度烧蚀热防护材料如聚四氟乙烯、三维石英织物/酚醛复合材料和碳-酚醛复合材料等被用于高速弹道导弹的烧蚀热防护系统；碳-酚醛复合材料和先进碳-碳复合材料等不仅可用于弹道导弹热防护，也可用于近地轨道再入飞行器的烧蚀热防护系统，这类材料的密度≥1.0g/cm³。美国在阿波罗登月工程中开发出两种密度在0.4～1.0g/cm³区间内的中密度烧蚀热防护材料，AVCOAT-5026和SLA-561V。这两种中密度烧蚀热防护材料在美国登月工程及其后的火星探测工程中经受过多次实际飞行考核。AVCOAT-5026和SLA-561V的密度均约为0.6g/cm³。AVCOAT-5026材料实际上是表面复合了热控涂层的蜂窝增强树脂复合材料。我国神舟飞船返回舱再入大气层时所用的热防护材料与AVCOAT-5026类似。这些材料的缺点是密度大，热防护系统所占的消极载荷份额大。

碳纤维刚性隔热瓦具有耐温高、轻质多孔、隔热效果好等优点，可直接作为超高温隔热材料使用，还可以作为原材料，通过复合树脂制备轻质烧蚀材料或抗氧化碳基陶瓷复合材料。洪长青等制备了一种密度为0.352～0.701g/cm³的碳纤维基PICA烧蚀材料(参见：Hong C,Han J,Zhang X,et al.Novel phenolic impregnated 3-D Fine-woven piercedcarbon fabric composites:Microstructure and ablation behavior[J].CompositesPart B Engineering,2012,43(5):2389-2394.)，该论文以细编穿刺碳纤维预制体为纤维基体，向其孔隙中复合酚醛树脂，但该材料的缺点是密度较大，此外该材料在4.5MW/m²的氧/乙炔火焰烧蚀试验中，线烧蚀率为0.019～0.036mm/s，质量烧蚀率为0.045～0.061g/s，烧蚀速率较快。美国在火星探测工程中开发出名为“PICA”的低密度烧蚀热防护材料。刚性PICA是以碳纤维刚性隔热瓦为基体，向其孔隙中复合酚醛树脂而制备的复合材料，这类轻质烧蚀材料的密度为0.27g/cm³。美国纤维材料合伙公司(Fiber MaterialsIncorporation,FMI)生产了一种牌号为的碳纤维轻质刚性隔热瓦，将直径为14～16微米的碳纤维短切至1.6毫米长，与水溶性酚醛树脂及溶剂混合打浆后湿法成型，酚醛树脂固化后在782.2℃下碳化，进而在1782.2℃高温热处理后制得以碳纤维刚性隔热瓦为基体，向其孔隙中复合酚醛树脂而制备的复合材料，其密度为0.15～0.23g/cm³。但是这些材料仅以普通酚醛树脂为填充相，热导率高，且普通酚醛树脂在1200℃高温空气氛围下会发生燃烧，导致其抗氧化性不高，耐温性不足，烧蚀速率快，此外，这些材料抗气流冲刷性能不够优异，且表面发射率低，不能有效抑制飞行器表面由于辐射而导致的温度升高(参见中国专利CN201611100591)。