Si-O-C气凝胶/刚性多孔纤维复合材料的制备及其性能研究

摘要

高超声速航天飞行器热防护材料与结构是关系其安全的关键热防护技术。陶瓷纤维隔热瓦是一种纤维型刚性多孔隔热材料，纤维在搭接处形成较强的粘结，气孔率达80-95％，具有耐高温、高强度、低密度、低热导率、耐冲刷和稳定性好等优点，是航天飞机和X系列高超声速飞行器大面积热防护的必选材料。
　　本论文拟Si-O-C气凝胶浸渍到刚性多孔纤维骨架内部空间，经干燥，高温裂解等工艺步骤制备出Si-O-C气凝胶/刚性多孔纤维复合材料。刚性多孔纤维骨架分为碳基和石英基两类，由碳纤维和石英纤维分别经纤维分散、湿坯成型、高温烧结等工艺过程制备而成。不同于传统粉末烧结形成的陶瓷体，Si-O-C陶瓷由含硅聚合物前驱体经缩合反应、脱氢交联、无机化和陶瓷化热解而成，是硅、碳和氧原子构成的三维网络结构。Si-O-C陶瓷是SiO2陶瓷中的O部分被C取代得到的，氧原子的两个价电子均可以形成化学键，从而增强了网络结构的强度，有利于提高材料的热稳定性和机械性能，有效克服了在高温环境下，碳化物易氧化和氧化物因高蠕变速率所导致的低机械性能。本研究拟将上述两种材料结合在一起，取长补短，旨在获得力学性能更好，耐温更高和更低热导率的陶瓷基隔热复合材料。
　　本文采用先驱体转化法在无水乙醇中制备Si-O-C气凝胶，前驱体包括二甲基二乙氧基硅烷（DMDES）、甲基三甲氧基硅烷（MTMS）和正硅酸乙酯（TEOS）。先驱体首先在酸性环境下（PH=3）发生水解反应，然后在碱性环境下（PH=8）发生缩聚反应，为有效控制溶胶的颗粒大小，控制催化剂的用量为1.5ml。采用该工艺制备的Si-O-C气凝胶呈纳米颗粒堆积多孔结构，其主要相组成为无定型非晶SiOC结构。Si-O-C气凝胶经1000℃、1100℃、1200℃高温裂解后，采用红外、XRD、拉曼、XPS、和EDS进行测试，结果表明，随着裂解温度的升高，Si-O键减少，Si-C键增多；结构中β-SiC结构增多；D模和G模越来越明显，自由碳的含量逐渐升高；材料中Si元素的存在形式Si-O逐渐减少，而C元素C-C存在形式逐渐增多；Si元素是呈现先升高后降低的趋势，O也是先升高后降低，而C是先降低后升高的趋势。说明高温裂解后，材料内部发生化学反应，材料中含有SiO2和SiC，高温环境下材料趋向于Si-O向Si-C转化，材料发生碳化，所以C元素主要以自由碳形式存在。
　　采用真空浸渍工艺制备Si-O-C气凝胶/刚性多孔预制体获得隔热复合材料，此外，还采用机械弥散工艺，把短切石英纤维均匀分散至Si-O-C气凝胶中得到另一类隔热复合材料。经1000℃、1100℃、1200℃高温裂解后，对复合材料进行性能表征，测试结果显示Si-O-C气凝胶能够填充到纤维骨架中，呈颗粒堆积状态，与纤维骨架间不发生化学反应，是物理性能的叠加，石英基复合材料由于石英纤维的存在，高温裂解前就存在晶体相 SiO2，碳基复合材料由于碳纤维的存在，自由碳的含量更高。与多孔纤维骨架相比，复合材料的抗压强度提高了20%—30%，热导率降低了20%左右，浸渍1＃气凝胶的密度提高50%，浸渍8＃气凝胶的密度与多孔纤维相当，TG结果显示1000℃以内，材料失重0.2%左右，热稳定性较好。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 热防护结构与材料的研究现状

1.3 硅氧碳陶瓷的研究现状

1.4 主要研究内容

第2章 实验部分

2.1 实验材料

2.2 主要实验设备

2.3 分析测试方法

第3章 Si-O-C气凝胶制备及性能表征

3.1 引言

3.2 Si-O-C气凝胶的制备

3.3 Si-O-C气凝胶制备工艺

3.4 Si-O-C气凝胶性能表征

3.5本章小结

第4章 碳基复合材料的制备及性能研究

4.1 引言

4.2 Cf/Si-O-C复合材料的制备

4.3 复合材料的性能表征

4.4 本章小结

第5章 石英基复合材料的制备及性能研究

5.1 引言

5.2 石英基隔热复合材料的制备

5.3复合材料的性能表征

5.4 本章小结

总结

参考文献

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