Si-O-C氣凝膠-剛性多孔纖維復(fù)合材料的制備及其性能研究.pdf

1、高超聲速航天飛行器熱防護(hù)材料與結(jié)構(gòu)是關(guān)系其安全的關(guān)鍵熱防護(hù)技術(shù)。陶瓷纖維隔熱瓦是一種纖維型剛性多孔隔熱材料，纖維在搭接處形成較強(qiáng)的粘結(jié)，氣孔率達(dá)80-95％，具有耐高溫、高強(qiáng)度、低密度、低熱導(dǎo)率、耐沖刷和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是航天飛機(jī)和X系列高超聲速飛行器大面積熱防護(hù)的必選材料。
　　本論文擬Si-O-C氣凝膠浸漬到剛性多孔纖維骨架內(nèi)部空間，經(jīng)干燥，高溫裂解等工藝步驟制備出Si-O-C氣凝膠/剛性多孔纖維復(fù)合材料。剛性多孔纖維骨架分為

2、碳基和石英基兩類，由碳纖維和石英纖維分別經(jīng)纖維分散、濕坯成型、高溫?zé)Y(jié)等工藝過程制備而成。不同于傳統(tǒng)粉末燒結(jié)形成的陶瓷體，Si-O-C陶瓷由含硅聚合物前驅(qū)體經(jīng)縮合反應(yīng)、脫氫交聯(lián)、無機(jī)化和陶瓷化熱解而成，是硅、碳和氧原子構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Si-O-C陶瓷是SiO2陶瓷中的O部分被C取代得到的，氧原子的兩個價電子均可以形成化學(xué)鍵，從而增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，有利于提高材料的熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能，有效克服了在高溫環(huán)境下，碳化物易氧化和氧化物因高

3、蠕變速率所導(dǎo)致的低機(jī)械性能。本研究擬將上述兩種材料結(jié)合在一起，取長補短，旨在獲得力學(xué)性能更好，耐溫更高和更低熱導(dǎo)率的陶瓷基隔熱復(fù)合材料。
　　本文采用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法在無水乙醇中制備Si-O-C氣凝膠，前驅(qū)體包括二甲基二乙氧基硅烷（DMDES）、甲基三甲氧基硅烷（MTMS）和正硅酸乙酯（TEOS）。先驅(qū)體首先在酸性環(huán)境下（PH=3）發(fā)生水解反應(yīng)，然后在堿性環(huán)境下（PH=8）發(fā)生縮聚反應(yīng)，為有效控制溶膠的顆粒大小，控制催化劑的用量為1.

4、5ml。采用該工藝制備的Si-O-C氣凝膠呈納米顆粒堆積多孔結(jié)構(gòu)，其主要相組成為無定型非晶SiOC結(jié)構(gòu)。Si-O-C氣凝膠經(jīng)1000℃、1100℃、1200℃高溫裂解后，采用紅外、XRD、拉曼、XPS、和EDS進(jìn)行測試，結(jié)果表明，隨著裂解溫度的升高，Si-O鍵減少，Si-C鍵增多；結(jié)構(gòu)中β-SiC結(jié)構(gòu)增多；D模和G模越來越明顯，自由碳的含量逐漸升高；材料中Si元素的存在形式Si-O逐漸減少，而C元素C-C存在形式逐漸增多；Si元素是呈現(xiàn)

5、先升高后降低的趨勢，O也是先升高后降低，而C是先降低后升高的趨勢。說明高溫裂解后，材料內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，材料中含有SiO2和SiC，高溫環(huán)境下材料趨向于Si-O向Si-C轉(zhuǎn)化，材料發(fā)生碳化，所以C元素主要以自由碳形式存在。
　　采用真空浸漬工藝制備Si-O-C氣凝膠/剛性多孔預(yù)制體獲得隔熱復(fù)合材料，此外，還采用機(jī)械彌散工藝，把短切石英纖維均勻分散至Si-O-C氣凝膠中得到另一類隔熱復(fù)合材料。經(jīng)1000℃、1100℃、1200℃高溫

6、裂解后，對復(fù)合材料進(jìn)行性能表征，測試結(jié)果顯示Si-O-C氣凝膠能夠填充到纖維骨架中，呈顆粒堆積狀態(tài)，與纖維骨架間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是物理性能的疊加，石英基復(fù)合材料由于石英纖維的存在，高溫裂解前就存在晶體相 SiO2，碳基復(fù)合材料由于碳纖維的存在，自由碳的含量更高。與多孔纖維骨架相比，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度提高了20%—30%，熱導(dǎo)率降低了20%左右，浸漬1＃氣凝膠的密度提高50%，浸漬8＃氣凝膠的密度與多孔纖維相當(dāng)，TG結(jié)果顯示1000℃以內(nèi)