CN117776752B - 一种蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料及制备方法，属于功能复合材料领域。本发明采用蜂窝构型，并选用高强高模碳纤维，以三维机织织造圆形芯子，进而得到具有多孔夹芯结构的蜂窝预制体；然后采用聚合物浸渍裂解(PIP)法对预制体进行处理，经高温裂解产生致密的陶瓷基体，再填充聚酰亚胺泡沫，最终实现蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料的制备。本发明的蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料具有良好的力学性能和优异的隔热特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料及制备方法，属于功能复合材料领域。
背景技术
随着各种先进的航空航天器结构的出现，对热防护结构提出了更高的要求，即结构既要有一定的刚度和强度，同时又满足较高的隔热性能。碳纤维陶瓷基复合材料(C/SiC)具有低密度、耐高温和抗氧化等特点，被广泛用作热防护材料。
具有高比强度、比刚度的夹芯材料由两层面板和中间芯材组成，是一种结构复合的功能材料。依据芯材的不同，夹芯构型可分为泡沫夹芯、波纹夹芯和蜂窝夹芯等。
目前，CN 106046664A公开了一种蜂窝状轻质高强隔热防火材料的制备方法，具体是通过增稠剂、水和水性树脂的混合溶液进行冷冻干燥，固化或者低温碳化，得到蜂窝状轻质高强隔热防火材料；CN 111268995 A公开了一种蜂窝状纳米孔结构复合隔热材料，其中采用了气凝胶、熔炼得到的玻璃纤维；CN114656274A公开了一种纳米线阵列改性石墨烯蜂窝增强纳米气凝胶隔热吸波复合材料，其是由石墨烯蜂窝、纳米线阵列及纳米气凝胶构成，首先通过化学气相沉积工艺在石墨烯蜂窝表面制备碳化硅涂层进行增强，碳化硅涂层呈非连续间断分布，然后通过化学液相沉积工艺在石墨烯蜂窝内部孔隙制备纳米线阵列，纳米线阵列由碳化硅纳米线和碳化铪纳米线构成，最后通过溶胶凝胶工艺、超临界干燥技术及碳化反应在纳米线阵列表面制备纳米气凝胶，构成的三维网络结构可有效阻挡热量的传输以及促进对电磁波的吸收耗散作用，协同提供复合材料的隔热吸波性能；这些方法操作复杂，密度较高，很难同时满足超轻质、耐高温性能和力学性能。
因此，为了满足航空航天器部件对超轻结构设计、高温性能和力学性能的要求，设计并制备一种C/SiC陶瓷基蜂窝泡沫夹芯复合材料，将其力学性能与隔热性能相结合，进而寻找最佳的热防护结构，对整个工程领域有着十分重大的意义。
发明内容
[技术问题]
对夹芯材料传热性能的研究主要集中在金属蜂窝(泡沫)结构或树脂基复合材料结构，无法满足耐高温和轻量化的多功能设计目标；
关于C/SiC陶瓷基复合材料夹芯结构在高温环境下的服役情况还处在研究初期。
[技术方案]
为了解决上述问题，本发明采用蜂窝构型，并选用高强高模碳纤维，以三维机织织造圆形芯子，进而得到具有多孔夹芯结构的蜂窝预制体；然后采用聚合物浸渍裂解(PIP)法对预制体进行处理，经高温裂解产生致密的陶瓷基体，再填充聚酰亚胺泡沫，最终实现蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料的制备。本发明的蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料具有良好的力学性能和优异的隔热特性。
本发明的第一个目的是提供一种制备蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料的方法，包括如下步骤：
(1)蜂窝预制体的制备：
采用三维机织角联锁结构，将碳纤维沿着圆柱壳的环向与轴向进行编织，得到圆柱形芯子；
再把多个圆柱形芯子按照阵列堆叠成正方形样式，得到多孔蜂窝预制体；
(2)多孔夹芯陶瓷基复合材料的制备：
采用前驱体浸渍裂解法(PIP工艺)，在步骤(1)得到的多孔蜂窝预制体表面沉积SiC基体，然后将聚酰亚胺(PI)泡沫填充到圆柱形芯子内部和相邻圆柱形芯子的孔隙中，得到蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)采用的碳纤维包括T700-12K、T800-12K、T1000-12K中的一种或几种，细度为800Tex；且强度大于4500MPa，模量大于230GPa。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)采用的角联锁结构为经纱按正弦曲线沿轴向编织，纬纱按直线沿环向编织。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中采用的角联锁编织工艺中沿轴向经纱密度为5-7根/mm，沿环向纬纱密度为1.5-2.5根/mm。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中圆柱形芯子的壁厚为1-3mm，高度为10-20mm，外径为40-50mm。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中蜂窝预制体的厚度为10-20mm，宽度为150-500mm，长度为150-500mm。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中圆柱形芯子壳之间的距离为1-3mm。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中前驱体浸渍裂解法(PIP工艺)具体为：
采用聚碳硅烷作前驱体分子，将固体状聚碳硅烷溶解在二甲苯中，得到前驱体溶液，其质量浓度为30-50％；将蜂窝预制体常温(20-30℃)浸渍到前驱体溶液中20-40min，之后惰性气体氩气的保护下，在裂解温度900℃-1100℃的裂解炉中，经9-12次浸渍-裂解循环实现致密化，使得增重率控制在2％-5％。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)采用的PI泡沫密度为120-160kg/m3，热传导系数0.2-1.0W/(m·K)。
本发明的第二个目的是用本发明所述的方法制备得到蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料。
本发明的第三个目的是本发明所述的蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料在热防护领域的应用。
本发明的第四个目的是一种提高C/SiC陶瓷基复合材料的耐高温性能和力学性能的方法，包括如下步骤：
(1)蜂窝预制体的制备：
采用三维机织角联锁结构，将碳纤维沿着圆柱壳的环向与轴向进行编织，得到圆柱形芯子；
再把多个圆柱形芯子按照阵列堆叠成正方形样式，得到多孔蜂窝预制体；
(2)多孔夹芯陶瓷基复合材料的制备：
采用前驱体浸渍裂解法(PIP工艺)，在步骤(1)得到的多孔蜂窝预制体表面沉积SiC基体，然后将聚酰亚胺(PI)泡沫填充到圆柱形芯子内部和相邻圆柱形芯子的孔隙中，得到蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料。
[有益效果]
(1)本发明采用碳纤维陶瓷基复合材料和聚酰亚胺泡沫制备蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料，其具有轻量化的优势，质量在50g-100g之间，密度在0.19-0.38g/cm3，相较于同尺寸下的铝合金蜂窝结构，减重达40％-60％；
(2)本发明采用碳纤维陶瓷基复合材料和聚酰亚胺泡沫制备蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料，具有较高的承载能力，压缩载荷达到70kN以上，压缩强度达到2.7MPa以上。
(3)本发明采用碳纤维陶瓷基复合材料和聚酰亚胺泡沫制备蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料，具有优异的隔热性能，热传导系数在0.5W/(m·K)以下。
附图说明
图1为蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料的制备流程示意图。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
测试方法：
1、压缩性能测试：
根据GB/T 1448-2005《纤维增强塑料压缩性能试验方法》进行测试。
2、热导系数测试：
根据ASTM/E1461-13《闪光法测量热扩散系数或导热系数》进行测试。
3、密度测试：
测试质量和体积进行计算得到。
实施例中采用的原料：
碳纤维：T700碳纤维，细度为800Tex；
聚碳硅烷溶液：将固态聚碳硅烷溶于二甲苯中，得到质量分数为40％的聚碳硅烷溶液；
碳纤维布：T700碳纤维布，经纱密度为6根/mm，纬纱密度为2根/mm；厚度为2mm；
实施例和对比例未具体指明反应温度的为常温25℃反应；溶液未具体指明溶剂的是以水为溶剂；％未具体指明含义的为质量百分数。
实施例1
一种制备蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料的方法，包括如下步骤：
(1)蜂窝预制体的制备：
采用三维机织角联锁结构，经纱按正弦曲线沿轴向编织，纬纱按直线沿环向编织，将碳纤维沿着圆柱壳的环向与轴向进行编织，得到圆柱形芯子；其中，经纱密度为6根/mm，纬纱密度为2根/mm，芯子壁厚为2mm，高度为10mm，外径为40mm；
再把多个圆柱形芯子按照阵列堆叠成正方形样式，得到多孔蜂窝预制体；其中，厚度为10mm，宽度为160mm，长度为160mm，圆柱形芯子壳之间的距离为2mm；
(2)多孔夹芯陶瓷基复合材料的制备：
将步骤(1)得到的多孔蜂窝预制体浸渍在浓度为40wt％的聚碳硅烷溶液中，常温25℃下浸渍30min，之后放入管式炉中进行交联裂解过程，裂解温度1000℃，经10次浸渍-裂解循环实现复合材料的致密化，使得增重率为3％；
采用密度为120kg/m3、热传导系数1W/(m·K)的PI泡沫填充到圆柱形芯子内部和相邻圆柱形芯子的孔隙中，得到蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料。
对比例1
调整实施例1步骤(1)为：
采用T700碳纤维布进行铺层，卷绕成柱壳，得到圆形芯子；其中碳布的铺层顺序为[9016](90代表横向铺层，下标代表铺设的层数)，芯子壁厚为2mm，高度为10mm，外径为40mm；
再把多个圆柱形芯子按照阵列堆叠成正方形样式，得到多孔蜂窝预制体；其中，厚度为10mm，宽度为160mm，长度为160mm，圆柱形芯子壳之间的距离为2mm；
其他和实施例1保持一致，得到复合材料。
对比例2
调整实施例1步骤(1)为：
采用三维机织角联锁结构，经纱按正弦曲线沿轴向编织，纬纱按直线沿环向编织，将碳纤维沿着圆柱壳的环向与轴向进行编织，得到圆柱形芯子；其中，经纱密度为6根/mm，纬纱密度为2根/mm，芯子壁厚为2mm，高度为10mm，外径为60mm；
再把多个圆柱形芯子按照阵列堆叠成正方形样式，得到多孔蜂窝预制体；其中，厚度为10mm，宽度为160mm，长度为160mm，圆柱形芯子壳之间的距离为2mm；
其他和实施例1保持一致，得到复合材料。
对比例3
调整实施例1步骤(1)为：
采用三维机织角联锁结构，经纱按正弦曲线沿轴向编织，纬纱按直线沿环向编织，将碳纤维沿着圆柱壳的环向与轴向进行编织，得到圆柱形芯子；其中，经纱密度为6根/mm，纬纱密度为2根/mm，芯子壁厚为2mm，高度为10mm，外径为20mm；
再把多个圆柱形芯子按照阵列堆叠成正方形样式，得到多孔蜂窝预制体；其中，厚度为10mm，宽度为160mm，长度为160mm，圆柱形芯子壳之间的距离为2mm；
其他和实施例1保持一致，得到复合材料。
对比例4
调整实施例1步骤(1)为：
采用铝合金圆柱芯子，使得壁厚为2mm，高度为10mm，外径为40mm；
再把多个圆柱形芯子按照阵列堆叠成正方形样式，得到多孔蜂窝预制体；其中，厚度为10mm，宽度为160mm，长度为160mm，圆柱形芯子壳之间的距离为2mm；
其他和实施例1保持一致，得到复合材料。
对比例5
调整实施例1步骤(1)为：
采用三维机织角联锁结构，经纱按正弦曲线沿轴向编织，纬纱按直线沿环向编织，将碳纤维沿着圆柱壳的环向与轴向进行编织，得到圆柱形芯子；其中，经纱密度为6根/mm，纬纱密度为2根/mm，芯子壁厚为2mm，高度为10mm，外径为40mm；
再把多个圆柱形芯子按照阵列堆叠成正方形样式，得到多孔蜂窝预制体；其中，厚度为10mm，宽度为160mm，长度为160mm，圆柱形芯子壳之间的距离为0mm；
其他和实施例1保持一致，得到复合材料。
对比例6
调整实施例1步骤(1)为：
采用三维机织角联锁结构，经纱按正弦曲线沿轴向编织，纬纱按直线沿环向编织，将碳纤维沿着圆柱壳的环向与轴向进行编织，得到圆柱形芯子；其中，经纱密度为6根/mm，纬纱密度为2根/mm，芯子壁厚为2mm，高度为10mm，外径为40mm；
再把多个圆柱形芯子按照阵列堆叠成正方形样式，得到多孔蜂窝预制体；其中，厚度为10mm，宽度为160mm，长度为160mm，圆柱形芯子壳之间的距离为5mm；
其他和实施例1保持一致，得到复合材料。
将得到的复合材料进行性能测试，测试结果如下；
表1
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (5)
1.一种制备蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)蜂窝预制体的制备：
采用三维机织角联锁结构，将碳纤维沿着圆柱壳的环向与轴向进行编织，得到圆柱形芯子；
再把多个圆柱形芯子按照阵列堆叠成正方形样式，得到多孔蜂窝预制体；
其中，圆柱形芯子的壁厚为1-3mm，高度为10-20mm，外径为40-50mm；圆柱形芯子壳之间的距离为1-3mm；蜂窝预制体的厚度为10-20mm，宽度为150-500mm，长度为150-500mm；
(2)多孔夹芯陶瓷基复合材料的制备：
采用前驱体浸渍裂解法，在步骤(1)得到的多孔蜂窝预制体表面沉积SiC基体，然后将聚酰亚胺泡沫填充到圆柱形芯子内部和相邻圆柱形芯子的孔隙中，得到蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料；
其中，聚酰亚胺泡沫的密度为120-160kg/m3，热传导系数为0.2-1.0W/(m·K)；
前驱体浸渍裂解法具体为：
采用聚碳硅烷作前驱体分子，将固体状聚碳硅烷溶解在二甲苯中，得到前驱体溶液，其质量浓度为30-50％；将蜂窝预制体20-30℃浸渍到前驱体溶液中20-40min，之后惰性气体氩气的保护下，在裂解温度900-1100℃的裂解炉中，经9-12次浸渍-裂解循环实现致密化，使得增重率控制在2％-5％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中采用的角联锁编织工艺中沿轴向经纱密度为5-7根/mm，沿环向纬纱密度为1.5-2.5根/mm。
3.权利要求1或2所述方法制备得到的蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料。
4.权利要求3所述的蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料在热防护领域的应用。
5.一种提高C/SiC陶瓷基复合材料的耐高温性能和力学性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)蜂窝预制体的制备：
采用三维机织角联锁结构，将碳纤维沿着圆柱壳的环向与轴向进行编织，得到圆柱形芯子；
再把多个圆柱形芯子按照阵列堆叠成正方形样式，得到多孔蜂窝预制体；
其中，圆柱形芯子的壁厚为1-3mm，高度为10-20mm，外径为40-50mm；圆柱形芯子壳之间的距离为1-3mm；蜂窝预制体的厚度为10-20mm，宽度为150-500mm，长度为150-500mm；
(2)多孔夹芯陶瓷基复合材料的制备：
采用前驱体浸渍裂解法，在步骤(1)得到的多孔蜂窝预制体表面沉积SiC基体，然后将聚酰亚胺泡沫填充到圆柱形芯子内部和相邻圆柱形芯子的孔隙中，得到蜂窝泡沫夹芯承载/隔热复合材料；
其中，聚酰亚胺泡沫的密度为120-160kg/m3，热传导系数为0.2-1.0W/(m·K)；
前驱体浸渍裂解法具体为：
采用聚碳硅烷作前驱体分子，将固体状聚碳硅烷溶解在二甲苯中，得到前驱体溶液，其质量浓度为30-50％；将蜂窝预制体20-30℃浸渍到前驱体溶液中20-40min，之后惰性气体氩气的保护下，在裂解温度900-1100℃的裂解炉中，经9-12次浸渍-裂解循环实现致密化，使得增重率控制在2％-5％。
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