一种耐烧蚀复合材料

摘要

本发明属于纤维增强树脂基复合材料技术领域，采用具有优异耐热性能的酚醛树脂作为基体，以碳纤维作为增强材料，以硼化锆和POSS做为抗氧化添加剂，热压制备复合材料。本发明涉及的耐烧蚀复合材料，组成至少包括酚醛树脂100质量份、硼化锆6～18质量份、碳纤维90～110质量份、POSS1～8质量份，具有质轻、耐热、耐腐蚀等功能特性，制备工艺简单，在2000℃～3000℃氧化环境下，形成致密的陶瓷层有效阻止氧化气氛对碳层和碳纤维的氧化破坏，在保持适宜的力学性能和较低的密度的同时，实现抗高温氧化和高温粒子流冲刷烧蚀的目的。适用于高温、高速粒子流冲刷和氧化破坏的工况。

权利要求

1.一种耐烧蚀复合材料，组成至少包括酚醛树脂、碳纤维、硼化锆和三硅苯基POSS，通过硼化锆和POSS的分散及胶液制备、纤维预浸、固化成型得到，其组成至少包括：酚醛树脂 100质量份

硼化锆 6~18质量份碳纤维 90~110质量份POSS 1~8质量份。

2.根据权利要求1的耐烧蚀复合材料，组成至少包括酚醛树脂、碳纤维、硼化锆和三硅苯基POSS，通过硼化锆和POSS的分散及胶液制备、纤维预浸、固化成型得到，其组成至少包括：酚醛树脂 100质量份

硼化锆 8~18质量份碳纤维 90~110质量份POSS 1~6质量份。

3.根据权利要求2的耐烧蚀复合材料, 组成至少包括酚醛树脂、碳纤维、硼化锆和三硅苯基POSS，通过硼化锆和POSS的分散及胶液制备、纤维预浸、固化成型得到，其组成至少包括：酚醛树脂 100质量份

硼化锆 8~16质量份碳纤维 90~110质量份POSS 3~6质量份。

4.根据权利要求1~3的任一耐烧蚀复合材料，所述酚醛树脂选自苯酚—甲醛、甲酚—甲醛、间苯二酚—甲醛、双酚A—甲醛中的一种或其中几种可以匹配使用的混合体系。

5.根据权利要求1~3的任一耐烧蚀复合材料，所述碳纤维可以是3K碳纤维、6K碳纤维、12 K碳纤维中的一种或它们的复合体系。

6.根据权利要求5的耐烧蚀复合材料，所述碳纤维可以是纤维、布、毡、立体纤维编织物中的一种。

7.根据权利要求1~3的任一耐烧蚀复合材料，所述硼化锆为不同粒度的混合体系。

说明书

一种耐烧蚀复合材料

技术领域

[0001] 本发明属于纤维增强树脂基复合材料技术领域，涉及抗高温氧化和粒子冲刷烧蚀材料技术，特别涉及抗高温氧化和粒子冲刷烧蚀复合材料。

背景技术

[0002] 树脂基复合材料以高比刚、强度得到广泛应用，具有耐烧蚀功能的树脂基复合材料近年也有了一定的发展并获得成功应用。一般情况下，抗氧化和耐烧蚀具有相辅相成的作用，通过在复合材料的树脂基体中添加抗氧化添加剂，使得复合材料在具有良好抗氧化性能的同时还具有良好的耐烧蚀性能。但在2000℃～3000℃下，一般的抗氧化添加剂失效，树脂基复合材料抗氧化性能急剧下降，树脂基体在高温环境下形成的碳层发生氧化破坏，导致复合材料的耐烧蚀性能和抗高速粒子流冲刷的性能急剧下降。

[0003] 甄强等在2010年第五期《宇航材料工艺》上发表了“ZrB2/C复合材料的微观结构与高温氧化机理”介绍了一种C/C复合材料，通过在C/C复合材料中添加ZrB2添加剂提高C/C复合材料的抗烧蚀性能和抗氧化性能。但高温环境下B2O3挥发，在ZrO2陶瓷表面形成大量的微孔，从而降低了ZrO2陶瓷隔离氧化气氛的效果。

[0004] 美国德克萨斯州立大学奥斯汀分校机械学院的J.D.KOO等人研究了多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）对酚醛树脂抗烧蚀性能的影响，结果表明高温环境下POSS能够通过高温分解带走大量热能的方式提高酚醛树脂的抗烧蚀性能。但没有提及POSS的其它性能。

发明内容

[0005] 本发明旨在提供一种具有良好抗高温氧化性能和粒子流冲刷烧蚀性能的纤维增强树脂基复合材料。

[0006] 本发明的目的是这样实现的，采用具有优异耐热性能的酚醛树脂作为基体，以碳纤维作为增强材料，以硼化锆和POSS做为抗氧化添加剂，热压制备成复合材料。利用硼化锆和POSS添加剂在高温氧化气氛中发生高温分解和氧化，带走大量的热能并形成致密的耐高温陶瓷层，大幅度提高复合材料抗烧蚀和抗氧化性能。

[0007] 本发明涉及的耐烧蚀复合材料，组成至少包括酚醛树脂、碳纤维、硼化锆和三硅苯基POSS，通过硼化锆和POSS的分散及胶液制备、纤维预浸、固化成型得到，其组成至少包括：

[0008] 酚醛树脂 100质量份

[0009] 硼化锆 6~18质量份

[0010] 碳纤维 90~110质量份

[0011] POSS 1~8质量份。

[0012] 本发明涉及的耐烧蚀复合材料，组成至少包括酚醛树脂、碳纤维、硼化锆和三硅苯基POSS，通过硼化锆和POSS的分散及胶液制备、纤维预浸、固化成型得到，其组成至少包括：

[0013] 酚醛树脂 100质量份

[0014] 硼化锆 8~18质量份

[0015] 碳纤维 90~110质量份

[0016] POSS 1~6质量份。

[0017] 本发明涉及的耐烧蚀复合材料, 组成至少包括酚醛树脂、碳纤维、硼化锆和三硅苯基POSS，通过硼化锆和POSS的分散及胶液制备、纤维预浸、固化成型得到，其组成至少包括：

[0018] 酚醛树脂 100质量份

[0019] 硼化锆 8~16质量份

[0020] 碳纤维 90~110质量份

[0021] POSS 3~6质量份。

[0022] 本发明涉及的耐烧蚀复合材料，所述酚醛树脂选自苯酚—甲醛、甲酚—甲醛、间苯二酚—甲醛、双酚A—甲醛中的一种或其中几种可以匹配使用的混合体系。

[0023] 本发明涉及的耐烧蚀复合材料，所述碳纤维可以是3K碳纤维、6K碳纤维、12 K碳纤维中的一种或它们的复合体系。

[0024] 本发明涉及的耐烧蚀复合材料，所述碳纤维可以是纤维、布、毡、立体纤维编织物中的一种。

[0025] 本发明涉及的耐烧蚀复合材料，所述硼化锆为不同粒度的混合体系。

[0026] 本发明涉及的耐烧蚀复合材料具有质轻、耐热、耐腐蚀等功能特性，制备工艺简单，在2000℃～3000℃氧化环境下，形成致密的陶瓷层有效阻止氧化气氛对碳层和碳纤维的氧化破坏，在保持适宜的力学性能和较低的密度的同时，实现抗高温氧化和高温粒子流冲刷烧蚀的目的。适用于高温、高速粒子流冲刷和氧化破坏的工况。

[0027] 四、具体实施方式

[0028] 下面结合实施例对本发明提出的方案进行进一步说明，但不作为对技术方案的限制。任何一种可以实现本发明的技术方法均构成本发明涉及技术方案的一部分。

[0029] 实施例一

[0030] 将8份硼化锆（0. 7um，北京中金研新材料科技有限公司）加入净含量为100份的S-157热固性酚醛树脂（苯酚-甲醛树脂，五三所生产）和1份三硅苯基POSS的混合液体系中，超声波分散1小时，用分散后的胶液浸润100份12k碳纤维（宜兴市天鸟高新技术有限公司），制成预浸料。在10MPa～15MPa下、160℃下固化30分钟制备成复合材料，氧/乙炔3
焰质量烧蚀率为0.0228g/s，线烧蚀率为-0.015mm/s，密度为1.61 g/cm。

[0031] 实施例二

[0032] 将10份硼化锆（50nm，上海水田材料科技有限公司）与净含量为100份的2126苯酚甲酚甲醛树脂和3份三硅苯基POSS（美国Hybrid Plastics公司）的混合液体系中，超声波分散1.5小时，将分散后的胶液浸润90份3k碳纤维布（宜兴市天鸟高新技术有限公司），制成预浸料。利用热压机于160℃，5MPa的环境下固化成型，制备成的复合材料，其氧/乙3
炔焰质量烧蚀率为0.0220g/s，线烧蚀率为-0.013mm/s，密度为1.63 g/cm。

[0033] 实施例三

[0034] 将12份硼化锆（0. 7um，北京中金研新材料科技有限公司）与净含量为100份间