[发明专利]一种耐烧蚀有机硅改性环氧树脂基碳纤维复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于高分子复合材料领域，涉及一种耐烧蚀有机硅改性环氧树脂基碳纤维复合材料及其制备方法。本发明的端甲氧基有机硅改性环氧树脂是由端甲氧基有机硅改性的环氧树脂。本发明的耐烧蚀有机硅改性环氧树脂基碳纤维复合材料是碳纤维增强的端甲氧基有机硅改性环氧树脂复合材料，其由碳纤维布、端甲氧基有机硅改性环氧树脂和固化剂制备而成。本发明提供的复合材料具有耐高温、耐烧蚀的性质，且烧蚀后形成的炭层结构仍具有良好的力学性能，在低成本耐烧蚀复合材料和结构烧蚀一体化领域具有非常好的应用前景，可以应用于制备航天飞行器壳体材料、临近空间及大气层内高速飞行器、飞船、返回式卫星等航天航空装备的烧蚀防热结构及民用领域。

技术领域

本发明属于高分子复合材料技术领域，具体涉及一种耐烧蚀有机硅改性环氧树脂基碳纤维复合材料及其制备方法。

背景技术

由于飞船、飞行器、返回式卫星等航天航空设备所在的环境极其恶劣，对耐热层的耐烧蚀、耐热流冲刷及机械力学性能等具有非常高的要求。耐热层耐烧蚀的作用机理是耐烧蚀材料受热后，由于其本身具有较低的导热系数，从而使得热量难以传导进入材料内部。这使得材料表面温度迅速升高。在高温作用下，材料中的低分子量物质和水分等挥发，而聚合物发生融化、升华和分解。最终，填料和/或聚合物形成的炭层保留在表面。耐烧蚀材料能够防止热侵入内部结构，对内部结构起到了热防护的作用。

热固性树脂基复合材料是目前研究得最多、应用得最广的一种复合材料。它具有质量轻、强度高、模量大、耐腐蚀性好、电性能优异、原料来源广泛，加工成型简便、生产效率高等特点，并具有材料可设计性以及其他一些特殊性能，如减振、消音、透电磁波、隐身、耐烧蚀等特性，已成为国民经济、国防建设和科技发展中无法取代的重要材料。在实际工程中环氧树脂复合材料多用于对使用性能要求高的场合，如用作结构材料、耐腐蚀材料、电绝缘材料及透波材料等。耐高温的环氧树脂也能够用作环氧树脂基的耐烧蚀材料。

有机硅类化合物是以Si-O无机结构为主链，Si原子上连接甲基、乙基、苯基等有机基团的一种半无机高聚物。由于结构及组成的特殊性，有机硅类化合物集无机物与有机物的特性及功能于一身，具有许多其他材料所不能同时具备的优异性能，如卓越的耐高低温性，优异的耐油、耐溶剂、耐紫外、耐辐射性能，良好的耐老化性，优良的电绝缘性和化学稳定性以及生理惰性等优点，目前已被广泛应用于航空、航天、外加剂、电磁屏蔽、膜材料、电子电气、医学、日用品等领域。

有机硅类化合物同时也是一类较有应用潜力的耐烧蚀材料。然而，由于有机硅类化合物缺少极性基团，分子间作用力低，内聚强度低，在外力作用下容易发生变形破坏，导致其拉伸强度低，断裂伸长率低，粘接性能不佳，极大地限制了其应用。为了将有机硅类化合物用于耐烧蚀材料，可以将其与能够增强其力学性能的组分复合使用。这样得到的复合材料即具有硅橡胶本身的优点，同时又能够克服其力学性能差的缺陷。例如现有技术中，常常使用环氧树脂对有机硅化合物进行改性，以提高其力学性能。然而，由于硅橡胶本身粘接性能不佳，硅橡胶在作为基底或改性剂与其他成分构成复合材料时不容易充分地结合，这样会导致材料烧蚀前的力学性能较差、影响材料的耐烧蚀性能。

由于耐烧蚀材料在烧蚀后形成炭层会覆盖在原耐热层或耐烧蚀层的表面，对内部结构的保护和支撑起着重要的作用，因而，耐烧蚀材料在烧蚀后形成的炭层的力学性能具有重要的意义。但是，由于而烧蚀过程包括剧烈的熔融、升华和裂解，所以现有的部分耐烧蚀材料(例如环氧树脂基的材料)形成的炭层通常不确定性很强，炭层的结构也不够致密，导致材料成炭后的力学性能显著降低，这会大大降低烧蚀后炭层对内部结构的保护和支撑作用。

目前的文献报道中，均是通过添加耐热填料来提高烧蚀后的力学性能，如石墨，二氧化硅，硼化锆，但是效果均不佳。因此。急需进一步研究和探索，研发烧蚀后形成的炭层具有非常优良的力学强度的耐烧蚀材料，克服现有材料的问题。

发明内容