[发明专利]一种基于间隔结构织物增强体的轻质防隔热复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于间隔结构织物增强体的轻质防隔热复合材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。该防隔热材料具有类似于面‑芯的功能梯度结构，即面层为致密材料主要提供防热烧蚀和承载的功能，中芯为多孔材料主要起到降低密度和隔热的作用，其中，材料体系中的增强体为纯无机纤维或有机/无机杂化纤维的具有间隔立体结构的织物预制体，基体由耐烧蚀型有机高分子树脂和有机/无机杂化气凝胶材料复配改性组成；其密度低至0.4g/cm³，热导率低于0.1W/mK，实现防隔热一体化，且抗弯强度提高至40MPa。

技术领域

本发明涉及一种基于间隔结构织物增强体的轻质防隔热复合材料及其制备方法，特别是涉及一种具有间隔结构织物增强体及有机无机杂化气凝胶基体及其复合材料制备方法，属于复合材料制备技术领域。

背景技术

目前，随着载人航天、深空探测、高超声速飞行器的多元化发展，对再入飞行器的热防护材料也提出了更高的需求，不仅要求热防护系统结构的简捷化和轻质化，也要求多功能化，即在实现防热的同时兼具隔热的功能。研究表明，增加防热材料的孔隙率，能够显著提升隔热性能，但是也会造成表面烧蚀碳化层结构强度的减弱，导致剥蚀发生。例如，PICA、SIRCA等低密度先进防热材料虽具有较好的隔热性能，但是烧蚀后退量大，严重影响飞行器气动外形，无法满足更新型再入飞行器的设计使用要求。这就要求从增强体结构和基体组分入手开展材料设计，创新制备方法，满足轻质的前提下进一步实现防隔热一体化。

轻质防隔热一体化材料首先需要通过对纤维织物增强体进行组织结构设计以满足设计需求。疏松的增强体结构虽然会增加材料中的孔隙率、降低热导率，但同时也会导致不足够强的纤维-树脂界面，进而影响承载、烧蚀等性能，引起烧蚀后退、剥蚀等缺陷；而过于致密的结构则不利于减重和隔热性能的提升。目前防隔热材料所用纤维织物增强体大多是基于编织的致密结构或是毡类的疏松结构，没有两者相结合的形式。因此，需要设计、制备疏密有度或者带有明显密度梯度的异构化织物增强体。

有机/无机杂化气凝胶基于其独特的纳米级多孔结构和三维网络结构从而具有超轻质、高孔隙率、高比表面积、低热导率等优异性能，是理想的轻质化隔热基体材料，并且由于结构中无机抗氧化组元的存在，其烧蚀后碳化层具有一定的强度，抗氧化和抗冲刷能力较单一有机气凝胶烧蚀碳化层均有一定幅度的提升。但是，由其制备成复合材料后，高孔隙率的特征依然会影响整体的承载和抗烧蚀性能。一种潜在的改善方法是通过进一步引入耐烧蚀型有机成分，使其能够与杂化气凝胶结合并在后者稀松的多孔结构表面形成致密结构。因此，采用何种工艺方法去实现上述表面强化的效果是面临的一大难点。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于间隔结构织物增强体的轻质防隔热复合材料及其制备方法，该轻质防隔热复合材料具有类似于面-芯的功能梯度结构，即面层为致密材料主要提供防热烧蚀和承载的功能，中芯为多孔材料主要起到降低密度和隔热的作用，该轻质防隔热复合材料的密度低至0.4g/cm³，热导率低于0.1W/mK，抗弯强度提高至40MPa。

本发明的技术解决方案是：

一种基于间隔结构织物增强体的轻质防隔热复合材料，该轻质防隔热复合材料包括增强体和基体；

所述的增强体为具有间隔(或名中空)结构的纯无机纤维立体织物；

所述的增强体还可以为具有间隔(或名中空)结构的有机/无机杂化纤维立体织物；

所述的基体包括有机/无机杂化气凝胶和耐烧蚀型有机高分子树脂；

以该轻质防隔热复合材料的总质量为100％计算，各组分的质量百分含量如下：

增强体 40％-60％

耐烧蚀型有机高分子树脂 10％-20％

有机/无机杂化气凝胶 20％-50％。