一种酚醛浸渍碳烧蚀体材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种制备酚醛浸渍碳烧蚀体材料的方法。将短切碳纤维、热固性酚醛树脂粉和分散剂放入水中制成料浆；将料浆倒入金属容器中，放入冷冻干燥设备内冷冻干燥，制得碳纤维增强体；对碳纤维增强体进行碳化处理，制得刚性碳纤维骨架；将刚性碳纤维骨架真空浸泡入添加交联剂的热固性酚醛树脂粉的无水乙醇溶液中；将经酚醛浸渍后的刚性碳纤维骨架放入密闭容器中，溶胶‑凝胶成型，再经老化、常压干燥，即得酚醛浸渍碳烧蚀体材料。本发明采用冷冻干燥成型碳纤维增强体，制备出了各项同性酚醛浸渍碳烧蚀体材料，克服了现有技术制备碳纤维增强体材料时材料各向异性明显、制备碳气凝胶时原料价格昂贵、致癌，工艺周期长，具有一定危险性的缺陷。

说明书

技术领域

本发明属于酚醛浸渍碳烧蚀体材料的制备技术领域，具体涉及一种酚醛浸渍碳烧蚀体材料的制备方法。

背景技术

热防护系统(Thermal protection system, TPS) 是保护飞行器在高超声速穿越星球大气层时免遭严酷气动加热环境的损伤，安全进入星球的飞行器子系统。通常可将热防护材料分为可重复使用热防护材料和烧蚀热防护材料两类。酚醛浸渍碳烧蚀体材料（Phenolic impregnated carbon ablator, PICA）是众多烧蚀型热防护材料的一种。PICA最初是由NASA的Ames研究中心开发，由酚醛树脂溶液浸渍碳纤维增强体组成，是一种低密度（<0.5g/cm³）、低热导率（<0.2W/m·K）和低烧蚀量的高效热防护材料，能够应用于高热流、高温等极端环境下的飞行器大面积热防护系统。该材料因先后应用于Stardust返回舱迎风面热防护体系和“好奇好”的迎风面热防护材料，因而荣获NASA的2007年度材料奖。

公开资料表明，PICA是由酚醛树脂溶液浸渍短切碳纤维增制体制备出的具有纤维增强的酚醛气凝胶结构材料。根据PICA的制备工艺流程，可将其分为短切碳纤维增强体的制备和酚醛树脂碳气凝胶结构的制备。碳气凝胶一般采用间苯二酚和甲醛为原料，经溶液-溶胶-凝胶、溶剂置换、超临界干燥和碳化过程制备而成。在碳气凝胶制备过程中，原料甲醛作为溶剂，其为1类致癌物；间苯二酚价格昂贵；涉及的超临界干燥工艺必须在高温高压下进行，有一定的危险性，且制备周期长。上述制备过程中的不足限制了其应用和推广。对于PICS碳纤维增强体的制备，目前主要采用真空抽滤成型和压力抽滤成型。真空抽滤成型工艺耗时，需要使用价格较贵的模具造型设备，材料性能各向异性（碳纤维沿xy面择优取向，在z向纤维含量较少），碳纤维层层抽滤叠加，易分层。压力抽滤成型，工艺相对简单，解决了碳纤维叠加易分层的缺陷，但是仍无法解决材料性能各向异性的问题。

发明内容

为克服现有技术中酚醛浸渍碳烧蚀体材料制备过程中材料各向异性、工艺耗时且具有一定危险性、成本高的缺陷，本发明的目的在于提供一种新的酚醛浸渍碳烧蚀体材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种酚醛浸渍碳烧蚀体材料的制备方法，步骤如下：

（1）将短切碳纤维、热固性酚醛树脂粉和分散剂放入水中制成料浆；其中，所述短切碳纤维占水质量的5 ~ 15wt%，所述热固性酚醛树脂粉占水质量的3 ~ 5wt%，所述分散剂占水质量的0.5 ~ 2.0wt%；

（2）将步骤（1）制备的料浆倒入金属容器中，放入冷冻干燥设备内冷冻干燥，制得碳纤维增强体；

（3）对步骤（2）制备的碳纤维增强体进行碳化处理，制得刚性碳纤维骨架；

（4）将步骤（3）制备的刚性碳纤维骨架真空浸泡入添加交联剂的热固性酚醛树脂粉的无水乙醇溶液中；

（5）将步骤（4）酚醛浸渍后的刚性碳纤维骨架放入密闭容器中，溶胶-凝胶成型，再经老化、常压干燥，即得酚醛浸渍碳烧蚀体材料。

较好地，步骤（2）具体为：将步骤（1）制备的料浆倒入金属容器中，放入冷冻干燥机内，真空下冷冻至-70 ~ -50℃，保温20 ~ 40 min；升温至-40 ~ -30℃，保温20 ~ 40 min；继续升温至-20 ~ -10℃，保温20 ~ 40 min；继续升温至-1~ 0℃，保温至完全干燥；泄真空，取出，即得碳纤维增强体。

较好地，步骤（2）的整个过程中，以2 ~ 5℃/h的升温速率升温。本发明冷冻干燥采取分步升温并控制升温速率，可较好地控制水分挥发的速率，达到控制碳纤维增强体中孔隙的作用，同时可以实现碳纤维沿xy及z向均匀分布，从而获得性能较好的目标材料。

较好地，所述短切碳纤维的长度为100μm ~ 20mm。

较好地，步骤（1）和（4）中，所述热固性酚醛树脂粉的粒径为100 ~ 500目。

较好地，所述分散剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素或十二烷基苯磺酸钠。

较好地，步骤（3）具体为：将步骤（2）制备的碳纤维增强体放置于炭化炉中，以15 ~25℃/h的升温速率升温至300 ~ 400℃；再以2 ~ 5℃/h的升温速率继续升温至600 ~700℃；再以5 ~ 15℃/h的升温速率继续升温至900 ~1000℃，保温1 ~ 3h；降温，制得刚性碳纤维骨架。

较好地，步骤（4）中，所述热固性酚醛树脂粉的无水乙醇溶液的浓度为10 ~30wt%，所述热固性酚醛树脂粉与交联剂的质量配比为4：1 ~ 7：1。

较好地，所述交联剂为六亚甲基四胺。

较好地，步骤（5）中，在75 ~ 85℃下溶胶-凝胶成型。

有益效果：

1、本发明以短切碳纤维作为增强体，以热固性酚醛树脂作为刚性碳纤维增强体的粘结剂，同时作为后续碳气凝胶的前驱体，采用冷冻干燥成型制备碳纤维增强体，然后依次经过碳化、浸渍酚醛树脂-无水乙醇溶液、溶胶-凝胶、常压干燥制备出了各向同性酚醛浸渍碳烧蚀体材料，克服了现有技术制备碳纤维增强体材料时材料各向异性明显、制备碳气凝胶时原料价格昂贵、致癌，工艺周期长，具有一定危险性的缺陷；

2、根据最终零部件的结构的不同，冷冻干燥时可用不同形状及尺寸的金属容器，具有结构的可调节性；

3、本发明制备的酚醛浸渍碳烧蚀体材料具有良好的隔热性，可用于高超声速飞行器的热防护系统。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步的说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

实施例1

一种制备酚醛浸渍碳烧蚀体材料的方法，步骤如下：

（1）先将短切碳纤维（长度100μm）分散到含分散剂的水中，然后加入热固性酚醛树脂粉（粒径100目），混合制得料浆；其中分散剂为聚丙烯酰胺，短切碳纤维占水质量的5wt%，热固性酚醛树脂粉占水质量的3wt%，分散剂占水质量的0.5wt%；

（2）将步骤（1）制备的料浆倒入金属容器中，放入冷冻干燥机内，真空下冷冻至-50℃，保温30min；以2℃/h的升温速率升温至-30℃，保温30min；再以2℃/h的升温速率继续升温至-10℃，保温30min；再以2℃/h的升温速率继续升温至-1℃，保温至完全干燥；泄真空，取出，即得碳纤维沿xy及z向均匀分布的碳纤维增强体；

（3）将步骤（2）制备的碳纤维增强体放置于炭化炉中，以30℃/h的升温速率升温至300℃；再以5℃/h的升温速率继续升温至600℃；再以10℃/h的升温速率继续升温至900℃，保温2h；断电降温至室温，制得刚性碳纤维骨架；

（4）将步骤（3）制备的刚性碳纤维骨架真空浸泡入添加交联剂的热固性酚醛树脂粉（粒径100目）的无水乙醇溶液中；其中，交联剂为六亚甲基四胺，热固性酚醛树脂粉的无水乙醇溶液的浓度为10wt%，所述热固性酚醛树脂粉与交联剂的质量配比为4：1；

（5）将步骤（4）酚醛浸渍后的刚性碳纤维骨架放入密闭容器中，置于烘箱中，在80℃下溶胶-凝胶成型，再经3天老化、常压干燥，即得酚醛浸渍碳烧蚀体材料（PICA材料）。

对制得的PICA材料性能进行测试：材料密度为0.17g/cm³，xy向压缩强度为0.28MPa，z向压缩强度为0.27MPa，xy向热导率为0.21W/m·>

实施例2

一种制备酚醛浸渍碳烧蚀体材料的方法，步骤如下：

（1）先将短切碳纤维（长度1000μm）分散到含分散剂的水中，然后加入热固性酚醛树脂粉（粒径200目），混合制得料浆；其中分散剂为聚丙烯酸钠，短切碳纤维占水质量的10wt%，热固性酚醛树脂粉占水质量的4wt%，分散剂占水质量的0.5wt%；

（2）将步骤（1）制备的料浆倒入金属容器中，放入冷冻干燥机内，真空下冷冻至-60℃，保温30min；以3℃/h的升温速率升温至-30℃，保温30min；再以3℃/h的升温速率继续升温至-10℃，保温30min；再以3℃/h的升温速率继续升温至-1℃，保温至完全干燥；泄真空，取出，即得碳纤维沿xy及z向均匀分布的碳纤维增强体；

（3）将步骤（2）制备的碳纤维增强体放置于炭化炉中，以30℃/h的升温速率升温至300℃；再以5℃/h的升温速率继续升温至600℃；再以10℃/h的升温速率继续升温至900℃，保温2h；断电降温至室温，制得刚性碳纤维骨架；

（4）将步骤（3）制备的刚性碳纤维骨架真空浸泡入添加交联剂的热固性酚醛树脂粉（粒径200目）的无水乙醇溶液中；其中，交联剂为六亚甲基四胺，热固性酚醛树脂粉的无水乙醇溶液的浓度为15wt%，所述热固性酚醛树脂粉与交联剂的质量配比为5：1；

（5）将步骤（4）酚醛浸渍后的刚性碳纤维骨架放入密闭容器中，置于烘箱中，在80℃下溶胶-凝胶成型，再经3天老化、常压干燥，即得酚醛浸渍碳烧蚀体材料（PICA材料）。

对制得的PICA材料性能进行测试：材料密度为0.25g/cm³，xy向压缩强度为0.45MPa，z向压缩强度为0.43MPa，xy向热导率为0.13W/m·K（室温），z向热导率为0.12W/m·>

实施例3

一种制备酚醛浸渍碳烧蚀体材料的方法，步骤如下：

（1）先将短切碳纤维（长度6mm）分散到含分散剂的水中，然后加入热固性酚醛树脂粉（粒径300目），混合制得料浆；其中分散剂为羟乙基纤维素，短切碳纤维占水质量的15wt%，热固性酚醛树脂粉占水质量的4wt%，分散剂占水质量的1wt%；

（2）将步骤（1）制备的料浆倒入金属容器中，放入冷冻干燥机内，真空下冷冻至-70℃，保温30min；以4℃/h的升温速率升温至-30℃，保温30min；再以4℃/h的升温速率继续升温至-10℃，保温30min；再以4℃/h的升温速率继续升温至-1℃，保温至完全干燥；泄真空，取出，即得碳纤维沿xy及z向均匀分布的碳纤维增强体；

（3）将步骤（2）制备的碳纤维增强体放置于炭化炉中，以30℃/h的升温速率升温至300℃；再以5℃/h的升温速率继续升温至600℃；再以10℃/h的升温速率继续升温至900℃，保温2h；断电降温至室温，制得刚性碳纤维骨架；

（4）将步骤（3）制备的刚性碳纤维骨架真空浸泡入添加交联剂的热固性酚醛树脂粉（粒径300目）的无水乙醇溶液中；其中，交联剂为六亚甲基四胺，热固性酚醛树脂粉的无水乙醇溶液的浓度为20wt%，所述热固性酚醛树脂粉与交联剂的质量配比为6：1；

（5）将步骤（4）酚醛浸渍后的刚性碳纤维骨架放入密闭容器中，置于烘箱中，在80℃下溶胶-凝胶成型，再经3天老化、常压干燥，即得酚醛浸渍碳烧蚀体材料（PICA材料）。

对制得的PICA材料性能进行测试：材料密度为0.32g/cm³，xy向压缩强度为0.67MPa，z向压缩强度为0.69MPa，xy向热导率为0.27W/ m· K（室温），z向热导率为0.26W/m·>

实施例4

一种制备酚醛浸渍碳烧蚀体材料的方法，步骤如下：

（1）先将短切碳纤维（长度20mm）分散到含分散剂的水中，然后加入热固性酚醛树脂粉（粒径500目），混合制得料浆；其中分散剂为羧甲基纤维素，短切碳纤维占水质量的15wt%，热固性酚醛树脂粉占水质量的5wt%，分散剂占水质量的2wt%；

（2）将步骤（1）制备的料浆倒入金属容器中，放入冷冻干燥机内，真空下冷冻至-60℃，保温30min；以5℃/h的升温速率升温至-30℃，保温30min；再以5℃/h的升温速率继续升温至-10℃，保温30min；再以5℃/h的升温速率继续升温至-1℃，保温至完全干燥；泄真空，取出，即得碳纤维沿xy及z向均匀分布的碳纤维增强体；

（3）将步骤（2）制备的碳纤维增强体放置于炭化炉中，以30℃/h的升温速率升温至300℃；再以5℃/h的升温速率继续升温至600℃；再以10℃/h的升温速率继续升温至900℃，保温2h；断电降温至室温，制得刚性碳纤维骨架；

（4）将步骤（3）制备的刚性碳纤维骨架真空浸泡入添加交联剂的热固性酚醛树脂粉（粒径500目）的无水乙醇溶液中；其中，交联剂为六亚甲基四胺，热固性酚醛树脂粉的无水乙醇溶液的浓度为10wt%，所述热固性酚醛树脂粉与交联剂的质量配比为7：1；

（5）将步骤（4）酚醛浸渍后的刚性碳纤维骨架放入密闭容器中，置于烘箱中，在80℃下溶胶-凝胶成型，再经3天老化、常压干燥，即得酚醛浸渍碳烧蚀体材料（PICA材料）。

对制得的PICA材料性能进行测试：材料密度为0.41g/cm³，xy向压缩强度为1.09MPa，z向压缩强度为1.13MPa，xy向热导率为0.39W/ m· K（室温），z向热导率为0.38W/m·>

对照例4′

与实施例4的不同之处在于：步骤（2）冷冻干燥时采取一步式升温，其具体过程为：将步骤（1）制备的料浆倒入金属容器中，放入冷冻干燥机内，真空下冷冻至-60℃，保温30min；以5℃/h的升温速率直接升温至-1℃，保温至完全干燥；泄真空，取出，即得碳纤维增强体。

对制得的PICA材料性能进行测试：材料密度为0.31g/cm³，xy向压缩强度为0.36MPa，z向压缩强度为0.29MPa，xy向热导率为0.47W/ m· K（室温），z向热导率为0.40W/m·>

结论：

1、根据发明人的研究，当所述短切炭纤维的含量为5 ~ 15wt%时，均可以制得本发明的PICA复合材料。当短切炭纤维的含量超过15wt%时，短切碳纤维不易均匀分散；而当短切炭纤维的含量低于5wt%时，纤维之间不易搭接，不能形成良好的三维网状结构；

2、通过上述实施例1 ~ 4可知，根据本发明所提供的方法制备的PICA复合材料的密度、压缩强度和热导率均满足作为热防护系统的要求，并且压缩强度和热导率各项同性。在上述四个实施例中，特别是当短切碳纤维的含量为15wt%、酚醛树脂和交联剂的配比为7：1、酚醛树脂的浓度为10wt%时，PICA的性能最优；

3、通过实施例4与对照例4′可知：在其他条件完全相同的条件下，冷冻干燥按本发明分步升温机制制备的PICA材料的密度、热导率和压缩强度均显著优于一步式升温机制，采用一步式升温法获得的PICA的密度较低，热导率较高，且热导率的各向异性更明显。这是因为采用分布式升温，并控制升温速率可控制水挥发的速率，达到控制碳纤维增强体中孔隙的作用，同时实现碳纤维沿xy及z向均匀分布，获得的PICA材料的性能更优异。

以上所述实施例，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。