[发明专利]一种中间相沥青改性的耐烧蚀树脂基体材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种中间相沥青改性的耐烧蚀树脂基体材料及其制备方法和用途，属于耐烧蚀材料技术领域。它是由如下重量配比的原料制备而成：耐烧蚀树脂100～120份、中间相沥青1～200份。该材料在烧蚀过程中将中间相沥青的液态炭化过程与树脂三维交联网络的固态炭化过程相结合，在碳层中引入中间相沥青液晶有序炭结构，减少了碳层中收缩裂纹的产生，并使其石墨化程度增加，显著提升了材料在高热流富氧条件下的抗冲刷性能，使形成的碳层更加完整致密，进而使得材料的耐烧蚀性能得到显著提升。该材料适用于树脂基烧蚀防热复合材料的制备，可应用于高速飞行器、发动机等相关设备防热结构的制备，以防护需经受高温燃气或气动热流冲刷等恶劣环境的结构和部件。

技术领域

本发明属于耐烧蚀材料技术领域，具体涉及一种中间相沥青改性的耐烧蚀树脂基体材料及其制备方法和用途。

背景技术

由于飞行器等航天航空设备服役环境极其恶劣，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。在高温热流的冲击下，填料和/或聚合物会在材料表面形成碳层，可以阻碍热侵入内部结构，对内部结构起到了热防护的作用。

耐烧蚀材料包括树脂类材料，如酚醛树脂等。酚醛树脂由于其成型工艺简单，耐热性能好，机械强度高，被广泛用于纤维增强复合材料。同时由于酚醛树脂具有突出的瞬时耐高温烧蚀性能，其常被用作抗烧蚀复合材料的基体。美国NASA以酚醛树脂为基体制备出的PhenCarb系列轻质炭化型烧蚀材料，表面烧蚀率低，烧蚀后的炭层厚。美国AMES中心以酚醛树脂为基体制备出的酚醛浸渍碳烧蚀材料(PICA)，已成功应用于“星尘”号返回舱热防护系统，美国新一代载人宇宙飞船“猎户座”号也将采用PICA材料作为其热防护材料。

虽然传统的酚醛树脂具有一定的耐高温烧蚀性能、材料强度高，适用于制备耐烧蚀材料。然而，其断裂延伸率较低，而且炭化后形成玻璃状结构，炭化产物难以石墨化，结合碳的石墨化程度低，导致抗氧化性变差，并且它炭化后形成均一的组织，使其抵抗裂纹扩展的能力变差，在飞行过程中可能会出现炭层剥蚀现象等问题，致使材料难以满足未来对飞行器生存能力和机动能力的新要求。

中间相沥青(mesophase pitch)是一种由相对分子质量为370～2000的多种扁盘状稠环芳烃组成的混合物；具有高残炭率、高密度和易石墨化等优点。中间相沥青常用来制备高导热碳纤维等材料。此外，文献《镁碳砖用中间相沥青-酚醛树脂结合剂的研制》(张雪松等,耐火材料,2007，41(4):271-273.)选用中间相沥青改性酚醛树脂，提高其残碳率；文献选择残碳率明显低于中间相沥青的酚醛树脂，将中间相沥青加入酚醛树脂中，提高中间相沥青—酚醛树脂复合物的残碳率。该文献重点关注的是中间相沥青与酚醛树脂复合后整体残碳率的变化，希望能够改善传统酚醛树脂残碳率不高的缺点，使产品能在镁碳砖粘合剂产业中得到应用。但该方法仅仅适合对于残碳率明显低于中间相沥青的酚醛树脂残碳率的提升，不适用于高残碳率的酚醛树脂；也没有解决提升烧蚀后酚醛树脂整体碳层强度，提高其抗冲刷性能的问题。

因此，针对中间相沥青与酚醛树脂，急需进一步研究和探索，研发具有优良耐烧蚀性能，且具有优异抗冲刷性能的改性酚醛树脂材料，以满足高温燃气以及气动热流冲刷等恶劣环境下的应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种中间相沥青改性的耐烧蚀树脂基体材料及其制备方法和用途。

本发明提供了一种中间相沥青改性的耐烧蚀树脂基体材料，它是由如下重量配比的原料制备而成：耐烧蚀树脂100～120份、中间相沥青1～200份。

进一步地，前述的耐烧蚀树脂基体材料是由如下重量配比的原料制备而成：耐烧蚀树脂120份、中间相沥青6～30份。

进一步地，前述的耐烧蚀树脂基体材料是由如下重量配比的原料制备而成：耐烧蚀树脂120份、中间相沥青30份。