一种耐氧化烧蚀的纤维/碳协同增强SiOC气凝胶复合材料及其制备方法

本发明涉及纤维增强气凝胶复合材料热防护，特别是涉及一种耐氧化烧蚀的纤维/碳协同增强sioc气凝胶复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、高速飞行器热防护材料面临长时间高温、氧化烧蚀和气动冲刷的极端服役环境，为了确保飞行器的安全，亟待开展下一代高温稳定、低导热、高强度一体化的轻质防/隔热材料的研究工作。sioc气凝胶因具备优异抗氧化性、高孔隙率、低导热性，受到人们的广泛关注，但是sioc气凝胶强度较差限制了其进一步应用。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的一个或者多个技术问题，本发明提供了一种耐氧化烧蚀的纤维/碳协同增强sioc气凝胶复合材料及其制备方法，本发明提供的耐氧化烧蚀的纤维/碳协同增强sioc气凝胶复合材料的改性纤维毡增强体中连续纤维毡和异质微纳碳协同增强了sioc气凝胶基体的强度，同时sioc气凝胶基体改善了微纳碳的抗氧化性，实现了复合材料高温稳定性、抗氧化性和强度的共同提高，使得复合材料兼具轻质、高强度及良好的抗氧化性和隔热性性能。

2、本发明在第一方面提供了一种耐氧化烧蚀的纤维/碳协同增强sioc气凝胶复合材料，所述复合材料包括改性纤维毡增强体和sioc气凝胶基体；所述改性纤维毡增强体为纤维表面包覆有微纳碳的纤维毡。

3、优选地，所述纤维毡为石英纤维毡、莫来石纤维毡、氧化铝纤维毡、氧化锆纤维毡、碳化硅纤维毡中的一种或多种。

4、本发明在第二方面提供了一种第一方面所述的耐氧化烧蚀的纤维/碳协同增强sioc气凝胶复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

5、s1.将纤维毡浸渍于酚醛树脂溶液中，然后进行抽滤、第一固化、第一碳化，得到改性纤维毡；

6、s2.将所述改性纤维毡浸渍于硅氧烷前驱体溶液中，然后进行第二固化、第二碳化；所述硅氧烷前驱体溶液为包括硅氧烷前驱体、第二溶剂、水和催化剂的混合物；

7、s3.重复步骤s2，得到耐氧化烧蚀的纤维/碳协同增强sioc气凝胶复合材料。

8、优选地，所述酚醛树脂溶液为包括酚醛树脂和第一溶剂的混合物；

9、优选的是，所述第一溶剂为醇类物质、水中的至少一种，优选为乙醇、异丙醇、乙二醇和水中的至少一种。

10、优选地，所述酚醛树脂溶液的浓度为10～40wt％。

11、优选地，所述第一固化的温度为90～180℃，时间为1～6h；和/或

12、所述第一碳化的温度为500～800℃，时间为1～6h。

13、优选地，所述硅氧烷前驱体与所述第二溶剂的质量比为1:2～5；

14、优选的是，所述硅氧烷前驱体至少包括三官能度硅烷，优选为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷和(3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷中的至少一种；

15、优选的是，所述第二溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮和水中的至少一种。

16、优选地，所述硅氧烷前驱体与水的质量比为1:0.5～1。

17、优选地，所述硅氧烷前驱体与所述催化剂的质量比为1:0.1～1；

18、优选的是，所述催化剂为碱性催化剂，优选为氨水。

19、优选地，所述第二固化的温度为60～90℃，时间为12～24h；和/或

20、所述第二碳化的温度为500～800℃，时间为1～6h。

21、本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

22、本发明通过在连续纤维毡的纤维的表面引入微纳碳对纤维毡进行增强改性，在不明显增大纤维毡的密度的同时起到增强纤维毡的作用，得到改性纤维毡增强体。改性纤维毡增强体中连续纤维毡和异质微纳碳协同增强了sioc气凝胶基体的强度，同时sioc气凝胶基体改善了微纳碳的抗氧化性。连续纤维毡、异质微纳碳和sioc气凝胶基体的相互补强作用，实现了复合材料高温稳定性、抗氧化性和强度的共同提高，使得复合材料兼具轻质、高强度及良好的抗氧化性和隔热性性能。

23、本发明提供的耐氧化烧蚀的纤维/碳协同增强sioc气凝胶复合材料具备密度低(0.26～0.33g/cm3)、强度高(5％应变压缩强度不小于0.4mpa，最高可达0.9mpa)、具有优异的隔热性(室温热导率＜0.04w/(m·k)和抗氧化性(在空气环境中经过长时间高温(500℃/10h)考核后，质量损失率＜4％)，具有优异的综合性能。

24、本发明首先用酚醛树脂溶液浸渍纤维毡并通过抽滤的方式引导酚醛树脂溶液在表面张力的作用下均匀分布在纤维表面，同时实现减重。然后经固化、碳化，利用酚醛树脂原位碳化策略在纤维表面原位生成微纳碳，既可实现在纤维毡中均匀引入微纳碳，又能在不明显增大纤维毡的密度的同时起到增强纤维毡起的作用，解决了现有技术中难以向连续纤维毡中均匀引入固体粉末的难题。最后将改性纤维毡与sioc气凝胶复合，提升了sioc气凝胶基体的强度，克服了现有sioc气凝胶强度较差的问题。同时sioc气凝胶基体改善了连续纤维毡中纤维表面微纳碳的抗氧化性，使得复合材料兼具轻质、高强度及良好的抗氧化性和隔热性性能。

技术特征：

1.一种耐氧化烧蚀的纤维/碳协同增强sioc气凝胶复合材料，其特征在于，所述复合材料包括改性纤维毡增强体和sioc气凝胶基体；所述改性纤维毡增强体为纤维表面包覆有微纳碳的纤维毡。

2.根据权利要求1所述的耐氧化烧蚀的纤维/碳协同增强sioc气凝胶复合材料，其特征在于，所述纤维毡为石英纤维毡、莫来石纤维毡、氧化铝纤维毡、氧化锆纤维毡、碳化硅纤维毡中的一种或多种。

3.一种权利要求1或2所述的耐氧化烧蚀的纤维/碳协同增强sioc气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述酚醛树脂溶液为包括酚醛树脂和第一溶剂的混合物；

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述酚醛树脂溶液的浓度为10～40wt％。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一固化的温度为90～180℃，时间为1～6h；和/或

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述硅氧烷前驱体与所述第二溶剂的质量比为1:2～5；

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述硅氧烷前驱体与水的质量比为1:0.5～1。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述硅氧烷前驱体与所述催化剂的质量比为1:0.1～1；

10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第二固化的温度为60～90℃，时间为12～24h；和/或

技术总结
本发明提供了一种耐氧化烧蚀的纤维/碳协同增强SiOC气凝胶复合材料及其制备方法，属于纤维增强气凝胶复合材料热防护技术领域，所述复合材料包括改性纤维毡增强体和SiOC气凝胶基体；所述改性纤维毡增强体为纤维表面包覆有微纳碳的纤维毡。本发明提供的耐氧化烧蚀的纤维/碳协同增强SiOC气凝胶复合材料的改性纤维毡增强体中连续纤维毡和异质微纳碳协同增强了SiOC气凝胶基体的强度，同时SiOC气凝胶基体改善了微纳碳的抗氧化性，实现了复合材料高温稳定性、抗氧化性和强度的共同提高，使得复合材料兼具轻质、高强度及良好的抗氧化性和隔热性性能。

技术研发人员：张幸红,洪长青,金翔宇,冯宇,王赫兵,杜善义,韩杰才
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/31