本發明屬于防隔熱材料,具體涉及一種低密度防熱材料及其制備方法。
背景技術:
1、熱防護系統簡稱tps(thermal?protection?system),是用來保護航天飛行器在氣動加熱環境中免遭燒毀和過熱的結構。燒蝕防熱憑借其安全可靠、適應外部加熱變化的能力強以及熱防護效率高的優勢,而成為目前再入飛行器的主要防熱方法。
2、進入21世紀以來,伴隨著國家航天事業的逐步開展,燒蝕防熱材料面臨著急迫的減重需求。防熱材料的輕質化是在滿足防熱需求前提下不斷強調的重大科學與工程技術問題,研究表明航天飛行器質量每減少1kg,戰略導彈彈頭有效射程將增加20km以上,運載火箭可節省燃料約50kg。因此,面向未來深空探測、載人登月以及新型航天飛行器的發展,降低防熱材料的質量,可提高飛行器的有效載荷。然而,在降低防熱材料的密度同時,其力學性能,如拉伸強度、拉斷伸長率、抗燒蝕性能都會下降,因此,在降低防熱材料的密度同時,還能保證其力學性能能夠滿足使用要求,這是一個亟需解決的問題。目前,已有許多關于這方面的研究。
3、專利申請cn109266212a提出了一種低密度高性能防熱涂層,該材料采用硅橡膠填充玻璃空心球和氣相白炭黑,具有密度低和導熱系數低等特點,但該系列的防熱材料密度為0.5-0.7g/cm3,導熱系數≤0.14w/(m·k),由于空心微球密度和添加份數的限制,無法進一步降低涂層材料的密度和導熱系數,限制了其性能的提升和應用領域。
4、專利申請cn109294238a提出了一種輕質高彈耐燒蝕隔熱材料及其制備方法,該材料由熱硫化硅橡膠、硼酚醛樹脂、六亞甲基四胺、白炭黑、羥基硅油、輕質耐燒蝕填料、硫化劑、均三甲苯和纖維組成,通過混煉、塑煉、密煉、分段多次發泡硫化成型,具有良好的彈性和耐燒蝕性能,但密度較高0.6-0.8/cm3,成型工藝也相對復雜,需要經過多段(90℃,150℃,170℃,190℃)高溫發泡,對設備要求較高,能耗大。
5、專利申請cn109796772a提出了一種氣源微發泡碳層的柔性耐燒蝕復合材料,該材料由硅橡膠、纖維、白炭黑、氣源物質、固化劑和催化劑組成,室溫模壓成型,具有良好的耐燒蝕性能,但是該材料導熱系數為0.18-0.29w/(m·k),隔熱性能不佳,且工藝復雜。
6、專利申請cn115304918a提出了一種低密度固體發動機防熱材料及其制備方法,該材料由硅樹脂、補強填料、纖維、漿粕、固化劑和催化劑等組成,室溫固化而成,生產工藝簡單,制得的材料為“三相”結構,具有較低密度,密度為0.3-0.4g/cm3,具有良好的隔熱性能,但其受纖維溶脹能力和孔隙的限制,其降低材料的密度能力有限。
7、專利申請cn107459359a提出了一種二氧化硅基輕質陶瓷熱防護材料,該材料以剛性隔熱瓦為基體,復合si-o-c氣凝膠,表面涂覆有強化涂層。制得的材料具有較低密度,防護材料密度低至0.20~0.25g/cm3,具有良好的隔熱性能,熱導率為0.05~0.1w/(m·k),但其需用到超臨界干燥技術,條件苛刻,工藝復雜,成本高。
技術實現思路
1、基于上述技術背景,本發明的主要目的在于提供一種低密度防熱材料及其制備方法,以克服現有技術中的不足。
2、為實現前述發明目的,本發明采用的技術方案包括:
3、本發明第一方面在于提供一種低密度防熱材料,所述低密度防熱材料由包括以下重量份數的原料制得:
4、基膠800份,耐燒蝕填料100~400份,經表面改性劑改性的中空纖維80~120份,輕質填料200~300份,熱穩定劑80~120份,固化劑8~80份,溶劑400~600份。
5、優選地,所述低密度防熱材料由包括以下重量份數的原料制得:
6、基膠800份,耐燒蝕填料300份,經表面改性劑改性的中空纖維100份,輕質填料250份,熱穩定劑100份,固化劑50份,溶劑500份。
7、優選地,所述基膠包括液態硅橡膠和液態硅樹脂,所述硅橡膠選自甲基乙烯基硅橡膠、甲基乙烯基苯基硅橡膠、甲基乙烯基硅硼橡膠中的一種或多種;所述硅樹脂選自甲基乙烯基硅樹脂、甲基乙烯基苯基硅樹脂、甲基乙烯基硅硼樹脂中的一種或多種;和/或,
8、所述耐燒蝕填料選自氣相二氧化硅、氣相二氧化鈦、硅微粉、石英粉、玻璃粉、莫來石纖維粉、玄武巖纖維粉、芳綸粉、聚酰亞胺粉、聚苯撐苯并二噁唑粉、納米氧化鋁中的一種或多種;和/或,
9、所述輕質填料選自空心玻璃微珠、空心酚醛微球、軟木粉、硅樹脂微球、氣凝膠粉中的一種或多種;和/或,
10、所述熱穩定劑選自氧化鐵粉、氧化鈰粉、氧化鋯粉、或氧化鋅粉中的一種或多種;和/或,
11、所述溶劑選自正己烷、環己烷、正庚烷、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯中的一種或多種;和/或,
12、所述固化劑包括抑制劑、交聯劑和催化劑;所述抑制劑、交聯劑和催化劑的質量比為30~40:2~5:8~15;和/或,
13、所述經表面改性劑改性的中空纖維由中空纖維經表面改性劑改性得到。
14、更優選地,所述抑制劑選自1-乙炔基環己醇、3,5-二甲基-1-己炔-3-醇、3-甲基-1-丁炔-3-醇、2-甲基-3-丁炔-2-醇中的一種或幾種;和/或,
15、所述交聯劑選自甲基含氫硅油、苯基含氫硅油、甲基含氫硅樹脂、苯基含氫硅樹脂中的一種或多種;和/或,
16、所述催化劑選自鉑-乙烯基烷氧基硅烷配合物、鉑-炔烴基配合物中的一種或多種。
17、更優選地,所述表面改性劑包括硅烷偶聯劑和鈦酸酯偶聯劑,所述硅烷偶聯劑為kh550、kh560或kh570,所述鈦酸酯偶聯劑為tmc-201或tmc-105;和/或,
18、所述中空纖維選自中空石英纖維、中空氧化鋁纖維、中空碳納米管纖維、中空聚四氟乙烯纖維、中空聚酯纖維中的一種或多種。
19、更優選地,所述中空纖維和表面改性劑的質量比為50:0.5~5。
20、本發明第二方面在于提供一種制備本發明第一方面所述的一種低密度防熱材料的方法,所述方法包括以下步驟:
21、步驟1、將基膠、耐燒蝕填料、熱穩定劑進行混煉,得到混煉料;
22、步驟2、向混煉料中加入輕質填料、經表面改性劑改性的中空纖維和溶劑,攪拌分散,隨后加入固化劑經噴涂成型、固化,即得低密度防熱材料。
23、優選地,步驟1中,
24、將基膠、耐燒蝕填料、熱穩定劑混煉10~30min,得到混煉料。
25、優選地,步驟2中,
26、向混煉料中加入輕質填料、經表面改性劑改性的中空纖維和溶劑,于400~600r/min的攪拌速度下攪拌分散10~30min,隨后加入固化劑噴涂成型后,于室溫下固化5~10天。
27、優選地,步驟2中,
28、所述經表面改性劑改性的中空纖維通過以下步驟制得:
29、將中空纖維、溶劑和表面改性劑混合,于氬氣保護下,升溫進行反應,反應結束后,冷卻至室溫,經抽濾、洗滌、真空干燥,即得經表面改性劑改性的中空纖維。
30、本發明所具有的有益效果:
31、(1)本發明所述低密度防熱材料通過引入中空纖維,利用中空纖維管壁的褶皺不平、存在大量活性作用位點的特點,用表面改性劑對中空纖維、輕質填料表面改性后,可以增加材料中各組分之間的物理、化學相互作用,從而提高該低密度防熱材料的力學性能;
32、(2)本發明通過調控中空纖維與輕質填料之間的用量比,利用中空纖維本身的自支撐能力和中空結構,與填料在材料內部相互交錯,形成大量類似“河貍窩”的孔隙結構,從而能在大幅度降低材料密度的同時,還能保證材料具有較高的力學性能;
33、中空纖維與輕質填料在材料內部形成的空隙由空氣填充,而空氣具有低導熱系數特性能進一步提升涂層的隔熱性能,同時中空纖維的中空結構有利于引導涂層內部產生的熱解氣體的釋放,解決涂層在高溫下鼓包和開裂的問題。
34、(3)本發明所述低密度防熱材料的制備方法簡單,制得的材料兼具力學性能高、密度低、防熱性能好的優點,可以有效提高飛行器的有效載荷,使其能夠滿足新一代飛行器的熱防護需求。