CN1990920A - 一种增强烧蚀防热复合材料及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种增强烧蚀防热复合材料及其制作方法，主要由芳砜纶纤维布或和硅基纤维混编织布，浸渍酚醛树脂，固化后成型为一种新型的隔热复合材料。本发明的复合材料可广泛用于需要隔热和防热的结构上，具有较好的强度、尺寸稳定性和加工工艺性，突破了现有材料不能满足长时间烧蚀防隔热的要求，为实现材料的烧蚀防热和隔热一体化功能找到了较好的解决途径。

Description

一种增强烧蚀防热复合材料及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种具有低热传导和抗高温气流冲刷功能的复合材料及其制作方法，尤指一种芳砜纶纤维及与硅基纤维混编布增强烧蚀防热复合材料及其加工方法。

背景技术

在高温和高速气流冲刷的场合下，结构体表面普遍采用一种烧蚀防热复合材料，它是通过材料在热流作用下发生分解、熔化、蒸发、升华等多种吸热和散热的物理和化学变化，以自身的质量消耗带走大量热能，防止热量传入内部结构，从而达到防热隔热的目的。如载人飞船在返回大气层时，与空气发生剧烈摩擦，飞船的表面温度要达到1000℃以上，为了保护宇航员和仪器设备的安全，在飞船的外表面包裹一层烧蚀防热材料，在再入时，它发生烧蚀作用而带走热量，阻挡了热量的传入，使得飞船的外表面温度即使达到上千度而舱体内部的温度仍维持在人可存活的温度范围内。

目前烧蚀防热复合材料的种类有很多，纤维布增强酚醛树脂是其中之一，它是将纤维先织成布，浸渍酚醛树脂后制成预浸胶布，然后通过缠绕或模压制得复合材料制品。这类材料的工艺成熟、效率较高，因而应用较广，国内外现用的这类材料主要有5种，分别为碳/酚醛、高硅氧/酚醛、玻璃/酚醛和尼龙/酚醛、涤纶/酚醛。前3种材料为无机纤维布增强酚醛树脂，它的耐烧蚀冲刷能力强，但材料的隔热性能相对不足，适用于使用环境严重但时间较短的场合；后2种材料为有机纤维布增强酚醛树脂，它的热扩散率低、隔热性能优异，但耐热性和烧蚀性能相对较差，适用于使用温度不高但时间较长的场合，目前在纤维布增强的防热复合材料中处于上述两类之间的材料是一个空白。

烧蚀防热材料的主要功能要求尽可能的降低材料的背面温升，这与使用的环境条件(如温度、冲刷剪切力、时间等)和材料的特性(如热扩散率、分解温度、线烧蚀率、抗冲刷性、厚度等)有关，是以上诸多因素综合作用的结果。在有些环境条件较高且使用时间较长的场合，现用的材料要么烧蚀量过大，要么热扩散率偏大，不能同时满足要求。因此，研制出一种在烧蚀率，抗冲刷能力和热扩散率等方面具有较好综合性能的复合材料乃是当务之急。

发明内容

根据背景技术所述，本发明的目的在于提供一种可以作为隔热材料，还可作为烧蚀防热材料，同时具有较高的强度，刚度和较好的工艺性，能满足长时间烧蚀隔热的要求，烧蚀防热和隔热一体化的复合材料。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种增强烧蚀防热复合材料，主要由以下材料组成：芳砜纶纤维布或和硅基纤维的混编布。

其中，硅基纤维包括玻璃纤维、高硅氧纤维和石英纤维。

针对不同的使用条件选用不同纱线，只要求高温隔热性能，其它方面不作要求，选用纯芳砜纶纤维布；除了隔热性要求外，还有尺寸稳定性方面的要求，选用芳砜纶与玻玻璃纤维的混编布；对于耐烧蚀冲刷要求高的，选用芳砜纶与高硅氧或石英纤维的混编布。

上述增强烧蚀防热复合材料的制作方法，包括如下步骤：

(1)选定编织用纤维纱线：针对不同的使用条件选用不同纱线；

(2)确定织物结构：

e.织物厚度0.2-0.8mm，通过选用纱线的线密度和织密来控制，线密度越小，织密越小，则织物厚度越薄；

f.织物宽度0.4-1.2m，根据浸胶设备的烘干炉宽度而定；

g.编织方式：平纹或斜纹和缎纹，织物较薄的选用平纹，较厚的选用斜纹或缎纹；

h.混编纤维的比例：芳砜纶与硅基纤维纱线的重量比为1∶1，经纬向皆均匀交替排布；

(3)预浸胶布制备：浸渍酚醛树脂溶液，胶布的树脂含量为30-60％，挥发份为2-10％；

(4)成型：板材采用层压工艺，筒体采用缠绕工艺；

(5)固化：通过加热和加压固化，使树脂与增强材料复合成一体，固化温度150-180℃，固化时间3-6h，固化压力1-10Mpa。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优点和效果：

1、本发明采用以芳砜纶纤维布为增强材料、酚醛树脂为基体，通过浸渍复合和固化成的新型复合材料，它的耐热性比习用的涤纶/酚醛材料提高150℃左右，而在隔热性能方面又优于玻璃/酚醛材料，同时可加工工艺性大大优于芳纶纤维材料，为防热复合材料增加了一个新的材料品种，现可用于耐火衣物或阻燃材料上。

2、本发明采用芳砜纶纤维与硅基纤维(玻璃纤维或石英纤维等)混编织布，然后与酚醛树脂复合和固化成型，制得了兼有低热导和抗高温气流冲刷的新型复合材料，新材料不仅可以作为隔热材料，而且还可作为烧蚀防热材料使用，同时还有较好的强度、尺寸稳定性和加工工艺性，突破了现有材料不能满足长时间烧蚀防隔热的要求，为实现材料的烧蚀防热和隔热一体化功能找到了较好的解决途径。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图

具体实施方式

一种增强烧蚀防热复合材料，主要由以下材料组成：芳砜纶纤维布或和硅基纤维的混编布。其中，硅基纤维包括玻璃纤维、高硅氧纤维和石英纤维。

上述增强烧蚀防热复合材料的制作方法，包括如下步骤：

1、选定编织用纤维纱线：针对不同的使用条件选用不同纱线，只要求高温隔热性能，其它方面不作要求，选用纯芳砜纶纤维布；除了隔热性要求外，还有尺寸稳定性方面的要求，选用芳砜纶与玻玻璃纤维的混编布；对于耐烧蚀冲刷要求高的，选用芳砜纶与高硅氧或石英纤维的混编布；

芳砜纶纱线参数

线密度tex	捻度捻/m	断裂强力N	浸润剂含量％
				60-200	≤400	≥10	≤5

玻璃纤维纱线参数

线密度tex	捻度捻/m	断裂强力N	SiO2含量％
				60-200	≤200	≥30	≥60

高硅氧纤维纱线参数

线密度tex	捻度捻/m	断裂强力N	SiO2含量％
				70-260	≤200	≥15	≥96

石英纤维纱线参数

线密度tex	捻度捻/m	断裂强力N	SiO2含量％
				60-200	≤200	≥30	≥99

2、确定织物结构：

(1)织物厚度0.2-0.8mm，通过选用纱线的线密度和织密来控制，线密度越小，织密越小，则织物厚度越薄；

(2)织物宽度0.4-1.2m，根据浸胶设备的烘干炉宽度而定；

(3)编织方式：平纹或斜纹和缎纹，织物较薄的选用平纹，较厚的选用斜纹或缎纹；

(4)混编纤维的比例：芳砜纶与硅基纤维纱线的重量比为1∶1，经纬向皆均匀交替排布；

3、预浸胶布制备：浸渍酚醛树脂溶液，胶布的树脂含量为30-60％，挥发份为2-10％；

4、成型：板材采用层压工艺，筒体采用缠绕工艺；

5、固化：通过加热和加压固化，使树脂与增强材料复合成一体，固化温度150-180℃，固化时间3-6h，固化压力1-10Mpa。

由图1示出本发明的主要工艺流程图，由图可知制作本发明的耐温等级较高的新型隔热材料的工艺过程，同时还可知制得兼有低热扩散率和抗高温气流冲刷的新型复合材料的工艺过程。

另外，混编后的复合材料近似成一个网格结构，硅基纤维为网格的骨架，而“网格”中填充的是芳砜纶纤维和酚醛树脂，在烧蚀过程中，芳砜纶纤维和树脂首先分解逸出，相当于起“发汗”作用而带走热量，而硅基纤维具有较好的抵御冲刷剥蚀的能力，对材料的线烧蚀率起到一定的控制和调节作用。所制新材料不仅可以作为隔热材料，而且还可作为烧蚀防热材料使用，同时还有较好的强度、尺寸稳定性和加工工艺性，从而实现了满足长时间烧蚀防隔热的要求。

下面以三个实施例更加详细的说明制作过程：

实施例1：

产品名称：耐高温隔热板

尺寸：500×500×10

实施步骤如下：

(1)选用纯芳砜纶纤维纱织布，纱线线密度75tex，捻度200捻/m，织物结构为平纹，布厚为0.25mm，幅宽为1.0m。

(2)浸渍热固型的钡酚醛树脂溶液，胶布的树脂含量控制为49±4％，挥发份控制为4-8％。

(3)裁剪500×500的胶布40张，每张的边对齐后叠放在一起，上下面各铺一层脱模布后放入热压机中。

(4)加接触压后，压机升温，升温速率控制为30℃/h，至95℃保温45min后加压8MPa，再升温至160℃，保温4h，固化结束。

(5)取出板材，去除脱模布，四边修整后即得成品。

以上所制板材的主要性能如下：

序号	项目	性能
			1	拉伸强度MPa	25
2	断裂伸长率％	0.70
			3	弯曲强度MPa	50
4	密度g/cm3	1.30
			5	小发动机线烧蚀率mm/s	0.49
6	比热容J/g.K(100℃)	1.46
			7	热导率W/m.K(100℃)	0.25
8	线膨胀系数10-6/℃(100℃)	40

实施例2：

产品名称：筒体隔热套

尺寸：内径Φ600，厚度5mm，长1000mm。

实施步骤如下：

(1)选用芳砜纶纤维与玻璃纤维的混编布。芳砜纶纱线线密度75tex，捻度200捻/m；玻璃纤维线密度72tex，捻度55捻/m，织物结构为平纹，经纬向皆间隔一根芳砜纶纤维与玻璃纤维，布厚为0.25mm，幅宽为1.0m。

(2)浸渍热固型的钡酚醛树脂溶液，胶布的树脂含量控制为41±4％，挥发份控制为4-8％。将胶布沿经向裁剪成50mm宽的胶带，倒成盘。

(3)使用布带缠绕机在Φ600模胎上平行缠绕成型。控制缠绕张力为10～20kgf，温度为60-130℃，主轴每转一周，小车往前走10mm，重复缠绕5次。

(4)将缠绕件表面依次包覆氟四玻璃布、透气毡、氟四玻璃布，最后包上真空袋，接上真空管嘴；以30℃/h的升温速率升温，在100℃下保温1h后加压至1.5MPa；然后升温至160℃，保温4h。

(5)固化后表面进行机加工，至厚度为5mm，两端切割至长度为1200m，脱模得产品。

制得产品主要性能参数如下：

序号	项目	性能
			1	母向拉伸强度MPa	75
2	断裂伸长率％	1.6
			3	母向弯曲强度MPa	120
4	密度g/cm3	1.45
			5	小发动机线烧蚀率mm/s	0.40
6	比热容J/g.K(100℃)	1.35
			7	热导率W/m.K(100℃)	0.26
8	线膨胀系数10-6/℃(100℃)	12.7

实施例3：

产品名称：烧蚀防隔热锥套

尺寸：小端内径Φ260，大端内径Φ600，厚度12mm，长1200mm。

实施步骤如下：

(1)选用芳砜纶纤维与石英纤维的混编布。芳砜纶纱线线密度75tex，捻度200捻/m；石英纤维线密度85tex，捻度50捻/m，织物结构为平纹，经纬向皆间隔一根芳砜纶纤维与石英纤维，布厚为0.30mm，幅宽为1.1m。

(2)浸渍热固型的氨酚醛树脂溶液，胶布的树脂含量控制为45±4％，挥发份控制为4-8％。将胶布沿与经向成45o斜裁成宽度为70mm宽的胶条，缝合搭接成连续长胶带，然后倒成盘。

(3)使用布带缠绕机在锥胎上倾斜缠绕成型，控制缠绕张力为1～10kgf，温度为60-130℃，缠绕角15o，主轴每转一周，小车往前走1.5mm。

(4)将缠绕件表面依次包覆氟四玻璃布、透气毡、氟四玻璃布，最后包上密封胶袋，接上真空管嘴；以30℃/h的升温速率升温，在100℃下保温1h后加压至8MPa；然后升温至180℃，保温5h。

(5)固化后产品表面进行机加工，至厚度为12mm，在两端的计算位置切割，长度为1200mm，脱模得产品。

制得产品主要性能参数如下：

序号	项目	性能
			1	母向拉伸强度MPa	40
2	断裂伸长率％	1.20
			3	母向弯曲强度MPa	75
4	密度g/cm3	1.40
			5	小发动机线烧蚀率mm/s	0.25
6	比热容J/g.K(100℃)	1.30
			7	热导率W/m.K(100℃)	0.30
8	线膨胀系数10-6/℃(100℃)	16.0

本发明的设计思想还可扩展到增强织物可采用各种有机纤维，无机纤维进行混编，包括但不限玻璃纤维、高硅氧(石英)纤维与芳砜纶纤维，织物结构包括但不限于平面织物，混编纤维比例包括但不限1∶1。

本发明适用的树脂包括各种以乙醇、甲醇为溶剂的各种酚和醛的缩聚产物，包括但不限航空航天工业常用的钡酚醛、高纯酚醛、氨酚醛树脂。除此外，此复合成型工艺还可推广应用于其它树脂体系。

Claims (8)

1、一种增强烧蚀防热复合材料，其特征在于由以下材料组成：芳砜纶纤维布或和硅基纤维的混编布。

2、根据权利要求1所述的增强烧蚀防热复合材料，其特征在于：硅基纤维包括玻璃纤维、高硅氧纤维和石英纤维。

3、根据权利要求2所述的增强烧蚀防热复合材料，其特征在于：针对不同的使用条件选用不同纱线，只要求高温隔热性能，其它方面不作要求，选用纯芳砜纶纤维布；除了隔热性要求外，还有尺寸稳定性方面的要求，选用芳砜纶与玻玻璃纤维的混编布；对于耐烧蚀冲刷要求高的，选用芳砜纶与高硅氧或石英纤维的混编布。

4、根据权利要求3所述的增强烧蚀防热复合材料，其特征在于：芳砜纶纱线密度(60-200)tex，捻度≤400捻/m，断裂强力≥10N，浸润剂含量≤5％。

5、根据权利要求3所述的增强烧蚀防热复合材料，其特征在于：玻璃纤维纱线密度(60-200)tex，捻度≤200捻/m，断裂强力≥30N，SiO2含量≥60％。

6、根据权利要求3所述的增强烧蚀防热复合材料，其特征在于：高硅氧纤维纱线密度(70-260)tex，捻度≤200捻/m，断裂强力≥15N，SiO2含量≥96％。

7、根据权利要求3所述的增强烧蚀防热复合材料，其特征在于：石英纤维纱线密度(60-200)tex，捻度≤200捻/m，断裂强力≥30N，SiO2含量≥99％。

8、如权利要求1所述的增强烧蚀防热复合材料的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)选定编织用纤维纱线：针对不同的使用条件选用不同纱线；

(2)确定织物结构：

a.织物厚度0.2-0.8mm，通过选用纱线的线密度和织密来控制，线密度越小，织密越小，则织物厚度越薄；

b.织物宽度0.4-1.2m，根据浸胶设备的烘干炉宽度而定；

c.编织方式：平纹或斜纹和缎纹，织物较薄的选用平纹，较厚的选用斜纹或缎纹；

d.混编纤维的比例：芳砜纶与硅基纤维纱线的重量比为1∶1，经纬向皆均匀交替排布；

(3)预浸胶布制备：浸渍酚醛树脂溶液，胶布的树脂含量为30-60％，挥发份为2-10％；

(4)成型：板材采用层压工艺，筒体采用缠绕工艺；

(5)固化：通过加热和加压固化，使树脂与增强材料复合成一体，固化温度150-180℃，固化时间3-6h，固化压力1-10Mpa。