輕質(zhì)C-C隔熱材料的制備及性能研究.pdf

1、碳纖維密度低、比強(qiáng)度高，具有突出的耐熱性能和化學(xué)性質(zhì)，酚醛樹脂作為粘結(jié)劑對(duì)碳纖維的潤(rùn)濕性良好，碳化層強(qiáng)度高且非常耐高溫，在工程實(shí)踐中以酚醛樹脂碳結(jié)構(gòu)連接碳纖維（Carbon Bonded Carbon Fiber，簡(jiǎn)稱C/C材料），常常應(yīng)用于新型航天飛行器隔熱結(jié)構(gòu)中。本文采用液相浸漬工藝，以碳纖維為主體框架，水溶性酚醛樹脂作為粘結(jié)劑，通過(guò)真空抽濾、模壓整體成型，并經(jīng)固化制備碳纖維/酚醛樹脂(CF/PF)復(fù)合材料，然后經(jīng)碳化制備了輕質(zhì)C/

2、C隔熱材料。分析了隔熱材料的多孔顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，并深入研究了酚醛樹脂的固化及碳化動(dòng)力學(xué)、酚醛固化對(duì)多孔材料組織結(jié)構(gòu)均勻性的影響機(jī)理以及隔熱材料的成型機(jī)制和隔熱原理。
　　采用DTA和T G研究了酚醛樹脂的固化動(dòng)力學(xué)和碳化熱解行為。研究結(jié)果表明：隨著升溫速率的提高，固化放熱峰逐漸向高溫方向移動(dòng)，固化反應(yīng)溫度范圍明顯提高，但反應(yīng)時(shí)間縮短。制備CF/P F復(fù)合材料較佳的固化工藝為101℃/2 h+108℃/2 h+137℃/2h，升

3、溫速率為1℃/min；C/C隔熱材料碳化工藝為210℃/0.5h+380℃/0.5h+580℃/0.5h+900℃/2h，在N2保護(hù)下以2℃/min升溫速率進(jìn)行。
　　由于起始固化溫度過(guò)高，酚醛樹脂直接固化后結(jié)構(gòu)疏松，存在孔洞、裂紋等缺陷。因此，制備CF/P F復(fù)合材料時(shí)采用預(yù)固化工藝處理預(yù)成型體，并分析樹脂的遷移行為：自由預(yù)固化時(shí)由于多孔結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)力作用，水分揮發(fā)會(huì)帶動(dòng)酚醛樹脂向上遷移，導(dǎo)致樹脂在CF/PF復(fù)合材料中分布不均勻

4、；采用密封條件預(yù)固化，水氣蒸發(fā)后聚集在密閉空間內(nèi)，幾乎保持了飽和蒸汽壓狀態(tài)，極大地降低了水分和溶劑的蒸發(fā)速率，使酚醛樹脂先發(fā)生原位凝膠，解決了最終 C/C隔熱材料中樹脂分布不均的問(wèn)題。
　　控制預(yù)成型體制備時(shí)的壓力值得到不同密度C/C隔熱材料，其最可幾孔徑保持在60μm左右，孔隙率在70％以上。隨著材料密度增加，層間距和孔隙率均減小，抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度增大，密度為0.260g/cm3時(shí)平行于碳纖維鋪層方向加載，壓縮強(qiáng)度最高達(dá)2.0

5、8 MPa，彎曲強(qiáng)度最高可達(dá)4.79 MPa。C/C隔熱材料具有明顯的分層結(jié)構(gòu)，分散均勻的碳纖維構(gòu)成了材料主體框架，碳纖維結(jié)點(diǎn)處粘附的樹脂碳起到骨架固定作用；平行鋪層加載抗壓強(qiáng)度較小，薄弱的層間發(fā)生屈服導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，垂直鋪層加壓時(shí)層間距逐漸減小，壓實(shí)的層結(jié)構(gòu)代替多孔結(jié)構(gòu)承載使應(yīng)力迅速增大；平行于鋪層加載的抗彎強(qiáng)度高于垂直加載，這是由于沿纖維層方向材料的承載能力高于垂直層方向。
　　輕質(zhì)C/C隔熱材料具有優(yōu)良的熱物理性能：熱膨脹系數(shù)

6、在100℃~400℃區(qū)間內(nèi)近似線性增加，400℃時(shí)不超過(guò)0.72×10-6℃-1，其較低的熱膨脹系數(shù)說(shuō)明該材料受熱時(shí)尺寸穩(wěn)定性良好。C/C隔熱材料在30℃~240℃的熱導(dǎo)率介于0.23~0.26W/(m·℃)之間，其較低的導(dǎo)熱系數(shù)是由碳纖維雜亂的分散排列、層間疏松的空間結(jié)構(gòu)以及較高的孔隙率決定的。
　　C/C隔熱材料的成型機(jī)制與酚醛樹脂的固化密不可分，密封預(yù)固化可以控制酚醛樹脂的遷移，實(shí)現(xiàn)了樹脂的原位凝膠，從而使得C/C隔熱材料結(jié)