一種高溫陶瓷化樹脂基複合材料的製作方法
2023-05-05 21:10:36 2
本發明屬於複合材料技術領域，涉及耐熱複合材料技術，特別涉及高溫陶瓷化樹脂基複合材料技術。
背景技術：
樹脂基複合材料以高比剛度、高比強度得到廣泛應用，具有耐燒蝕功能的樹脂基複合材料近年也有了廣泛的應用。一般情況下，抗氧化和耐燒蝕具有相輔相成的作用，通過在複合材料的樹脂基體中添加抗氧化添加劑，使得複合材料在具有良好抗氧化性能的同時還具有良好的耐燒蝕性能。但在2000℃～3000℃下，一般的抗氧化添加劑失效，樹脂基複合材料抗氧化性能急劇下降，樹脂基體在高溫環境下形成的碳層發生氧化破壞，導致複合材料的耐燒蝕性能和抗高速粒子流衝刷的性能急劇下降。
目前文獻已有報導在EPDM橡膠中添加熔點較低的有機改性納米蒙脫土後，蒙脫土在燃氣流的燒蝕與衝刷作用下發生熔融，形成的粘性液體可以與裂解碳層發生物理交聯，阻擋裂解氣體的揮發和碳化層的脫落，達到提高絕熱材料抗燒蝕、抗衝刷性能和降低煙霧信號的目的。有機矽類聚合物，若加入粘土類礦物(如雲母、玻璃粉、滑石粉等)，在高溫有氧環境燒蝕過程中基體分解產生的SiO2，與無機填料可以發生共晶反應，在填料邊緣處形成一種熔融態液相，隨著燒蝕時溫度的升高和反應時間的延長，這種液相不斷地進行擴散，降低了燒結能，在基體表面形成緻密的陶瓷保護層。但是可陶瓷化酚醛樹脂複合材料報導甚少。
CN 1028158958 A公開了一種隔熱一體化可陶瓷化樹脂基複合材料的製備方法，該材料由可瓷化助劑、空心SiO2微球、纖維定長紗、酚醛樹脂製備而成，該複合材料內部的可陶瓷化添加劑在＞600℃發生化學變化形成陶瓷，以增加材料的燒蝕性能，適用於600℃～1200℃的中低溫環境。
技術實現要素：
本發明旨在提供一種具有良好抗高溫氧化性能和高速粒子流衝刷燒蝕性能高溫陶瓷化的纖維增強樹脂基複合材料。
本發明的目的是這樣實現的，利用酚醛樹脂高溫成炭反應、聚碳矽烷高溫下與炭、矽發生的可瓷化反應，以及蒙脫土、玻璃纖維高溫熔融交聯作用，在抑制材料內部熱分解的同時，有效地阻隔外界熱量向材料內部擴散，從而使酚醛複合材料獲得更好的燒蝕性能。
本發明涉及的高溫陶瓷化樹脂基複合材料，預浸料重量組成至少包括：
酚醛樹脂 100固體份
玻璃纖維 90～120份
POSS 5～10份
超支化聚碳矽烷 10～15份
蒙脫土 2～3份
其中：酚醛樹脂為苯酚-甲醛、甲酚-甲醛；POSS為三矽醇苯基POSS或七苯基三矽醇苯基POSS中的一種；蒙脫土為納米有機改性蒙脫土。
本發明涉及的一種高溫陶瓷化樹脂基複合材料，預浸料重量組成至少包括：
酚醛樹脂 100固體份
玻璃纖維 100～120份
POSS 8～10份
超支化聚碳矽烷 12-15份
蒙脫土 2.5-3份。
本發明涉及的高溫陶瓷化樹脂基複合材料，預浸料重量組成至少包括：
酚醛樹脂 100固體份
玻璃纖維 100～115份
POSS 6～9份
超支化聚碳矽烷 10-13份
蒙脫土 2.4-3份。
本發明涉及的高溫陶瓷化樹脂基複合材料，預浸料重量組成至少包括：
酚醛樹脂 100固體份
玻璃纖維 90～110份
POSS 5～8份
超支化聚碳矽烷 11-14份
蒙脫土 2.3-2.6份。
本發明涉及的高溫陶瓷化樹脂基複合材料，所述玻璃纖維選自高矽氧玻璃纖維、高強玻璃纖維、高模量玻璃纖維中的一種或其中幾種的混合體系。
本發明涉及的高溫陶瓷化樹脂基複合材料，所述蒙脫土粒徑不大於100nm。
本發明涉及的高溫陶瓷化樹脂基複合材料，所述蒙脫土密度不大於2.0g/cm3。
本發明涉及的一種高溫陶瓷化樹脂基複合材料具有質輕、耐熱等功能特性，製備工藝簡單，形成緻密的陶瓷層有效的阻止氧化氣氛對碳層及玻璃纖維的氧化破壞，在保持適宜的力學性能和較低密度的同時，實現抗高溫氧化和高溫粒子流衝刷燒蝕的目的。適用於在2000℃～3000℃燒蝕環境的高溫、高速粒子流衝刷和氧化破壞的工況。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明提出的方案進行進一步說明，但不作為對技術方案的限制。任何一種可以實現本發明的技術方法均構成本發明涉及的技術方案的一部分。
實施例一
將10份的液態超支化聚碳矽烷(中科院化學所)充分浸漬90份的BCT高矽氧玻璃纖維短切紗，放入200℃烘箱中處理19min,取出冷卻至室溫，備用。
將淨含量為100份（按固體分計）的S-157苯酚-甲醛樹脂、5份三矽醇苯基POSS(美國Hybrid Plastics公司)與2份TJ-2型納米有機改性蒙脫土混合，超聲波分散30min，用分散後的膠液浸潤聚碳矽烷處理後的玻璃纖維，製成預浸料。在12MPa下、160℃下固化30分鐘，冷卻至室溫出模，製備成複合材料，氧-乙炔焰質量燒蝕率為0.023g/s，線燒蝕率為0.09mm/s，密度為1.63g/cm3。
實施例二
將12質量份的液態超支化聚碳矽烷(國防科技大學)充分浸漬50質量份的HMSTM玻璃纖維及50質量份HS4高強玻璃纖維，放入200℃烘箱中放置18min,取出冷卻至室溫，備用。
將淨含量為100質量份的2126苯酚甲酚甲醛樹脂、8質量份七苯基三矽醇POSS(浙江大學)與3質量份KH-V6型納米有機改性蒙脫土混合，高速攪拌分散40min，用分散後的膠液浸潤聚碳矽烷處理後的玻璃玻璃纖維，製成預浸料。在10MPa下、158℃下固化25分鐘，冷卻至室溫出模，製備成複合材料，氧-乙炔焰質量燒蝕率為0.032g/s，線燒蝕率為0.08mm/s，密度為1.66g/cm3。
實施例三
將15質量份的液態超支化聚碳矽烷(中科院化學所)充分浸漬110質量份的HS4高強玻璃纖維，放入200℃烘箱中放置16min,取出冷卻至室溫，備用。
將淨含量為100質量份的SL-1068酚醛樹脂、10質量份七苯基三矽醇POSS(浙江大學)與2.5質量份DK2納米有機改性蒙脫土混合，超聲波分散30min，用分散後的膠液浸潤聚碳矽烷處理後的玻璃玻璃纖維，製成預浸料。在14MPa下、162℃下固化28分鐘，冷卻至室溫出模，製備成複合材料，氧-乙炔焰質量燒蝕率為0.041g/s，線燒蝕率為0.07mm/s，密度為1.67g/cm3。
實施例四
將14質量份的液態超支化聚碳矽烷(國防科技大學)充分浸漬120質量份的GF-8高模玻璃纖維，放入200℃烘箱中放置15min,取出冷卻至室溫，備用。
將淨含量為100質量份的SL-1069酚醛樹脂、9質量份七苯基三矽醇POSS(浙江大學)與2.8質量份DK5納米有機改性蒙脫土混合，攪拌分散40min，用分散後的膠液浸潤聚碳矽烷處理後的玻璃玻璃纖維，製成預浸料。在15MPa下、162℃下固化30分鐘，冷卻至室溫出模，製備成複合材料，氧-乙炔焰質量燒蝕率為0.038g/s，線燒蝕率為0.076mm/s，密度為1.64g/cm3。
實施例五
將11質量份的超支化聚碳矽烷(國防科技大學)充分浸漬95質量份的HT高強高模玻璃纖維，放入250℃烘箱中放置10min,取出冷卻至室溫，備用。
將淨含量為100質量份的SL-1069酚醛樹脂、6質量份三矽醇苯基POSS(美國Hybrid Plastics公司)與2.3質量份KH-V6型納米有機改性蒙脫土混合，攪拌分散40min，用分散後的膠液浸潤聚碳矽烷處理後的玻璃玻璃纖維，製成預浸料。在12MPa下、159℃下固化29分鐘，冷卻至室溫出模，製備成複合材料，氧-乙炔焰質量燒蝕率為0.043g/s，線燒蝕率為0.071mm/s，密度為1.62g/cm3
實施例六
將13質量份的液態超支化聚碳矽烷(中科院化學所)充分浸漬115質量份的ARC15-2400W高強玻璃纖維，放入210℃烘箱中放置20min,取出冷卻至室溫，備用。
將淨含量為100質量份的S-157苯酚-甲醛樹脂、7質量份三矽醇苯基POSS(美國Hybrid Plastics公司)、4質量份的聚乙烯醇縮丁醛 與2.4質量份TJ-2型納米有機改性蒙脫土混合，超聲分散40min，用分散後的膠液浸潤聚碳矽烷處理後的玻璃玻璃纖維，製成預浸料。在15MPa下、160℃下固化30分鐘，冷卻至室溫出模，製備成複合材料，氧-乙炔焰質量燒蝕率為0.042g/s，線燒蝕率為0.071mm/s，密度為1.64g/cm3
實施例七
將11.5質量份的液態超支化聚碳矽烷(國防科技大學)充分浸漬105質量份的SW210A-92a玻璃纖維平紋布，放入220℃烘箱中放置20min,取出冷卻至室溫，備用。
將淨含量為100質量份的251苯酚-甲醛 酚醛樹脂、8.5質量份三矽醇苯基POSS(美國Hybrid Plastics公司)與2.6質量份KH-V6型納米有機改性蒙脫土混合，攪拌分散35min，用分散後的膠液浸潤聚碳矽烷處理後的玻璃玻璃纖維，製成預浸料。在11MPa下、157℃下固化32分鐘，冷卻至室溫出模，製備成複合材料，氧-乙炔焰質量燒蝕率為0.039g/s，線燒蝕率為0.074mm/s，密度為1.62g/cm3
實施例八
將13.5質量份的液態超支化聚碳矽烷(中科院化學所)充分浸漬98質量份的HS6高強玻璃纖維，放入240℃烘箱中放置20min,取出冷卻至室溫，備用。
將淨含量為100質量份的2126苯酚甲酚甲醛樹脂、9.5質量份七苯基三矽醇POSS(浙江大學)與2.5質量份TJ-2型納米有機改性蒙脫土混合，高速攪拌分散30min，用分散後的膠液浸潤聚碳矽烷處理後的玻璃玻璃纖維，製成預浸料。在10下、161℃下固化32分鐘，冷卻至室溫出模，製備成複合材料，氧-乙炔焰質量燒蝕率為0.040g/s，線燒蝕率為0.073mm/s，密度為1.65g/cm3。