一种新型碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料及其制备方法，复合材料由以下原料制成：硼酚醛树脂溶液、脱模剂和碳纤维布，本发明专利技术克服了现有技术的不足，本发明专利技术的碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料具有不燃烧、发烟率低、无毒气体放出的优点，且不含卤素、不含与基体不溶的阻燃性固体填料，该复合材料比热容大于1.1J/g

【技术实现步骤摘要】
一种新型碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料及制备方法


[0001]本专利技术涉及碳纤维增强酚醛树脂材料
，具体属于一种新型碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料及制备方法。

技术介绍

[0002]国内外固体火箭发动机喷管树脂基烧蚀防热材料主要采用酚醛类树脂作为基体材料。美国各种类型固体火箭发动机所使用的酚醛树脂牌号有CTL91LD、SC1008等，俄罗斯也采用酚醛树脂，我国主要采用钡酚醛、氨酚醛和硼酚醛等。普通酚醛树脂的成碳率较低，其二维缠绕材料的层间强度低，喷管布带缠绕制品易发生烧蚀分层、烧蚀量大、烧蚀不稳定等现象。硼酚醛树脂为改性酚醛树脂新品种，因分子结构中通过在酚醛分子结构中引入硼元素可以得到硼酚醛树脂，硼酚醛树脂B
‑
O键键能为773.3kJ.mol
‑1，远大于普通酚醛O
‑
C
‑
O键能(334.72kJ.mol
‑1)因此进入分子骨架的硼元素可以有效提升酚醛树脂高温下的稳定性，同时由于硼的三向交联结构，也可以较为有效地提升树脂体系的抗烧蚀性能和残碳率。研究表明硼酚醛树脂分解温度与传统酚醛相比提升了100℃～140℃，900℃残碳率约为70％，优于普通酚醛约55～60％的残碳率。
[0003]树脂基烧蚀材料在航天器上通常以纤维增强复合材料的形式存在，如高硅氧纤维/酚醛、石英纤维/酚醛、碳纤维/酚醛等都是在航天器上应用较为广泛的复合材料。喷管是固体火箭发动机的能量转换装置，工作环境十分恶劣，在工作中要承受复杂高温燃气流所施加的热、力作用以及喷管振动和摆动的机械载荷等，是固体发动机中最复杂、故障最多的部件。用于制作喷管构件的树脂基烧蚀防热材料是制作高性能固体发动机喷管的关键材料之一。树脂基烧蚀防热材料既要具有良好的抗烧蚀性能以维持发动机正常工作所需的烧蚀型面，又要具有良好的隔热性能使喷管结构件的温度在可接受水平。国内外对固体发动机喷管用树脂基烧蚀防热材料开展了大量的研究，并已得到成功应用。目前，固体发动机喷管通常采用酚醛树脂类复合材料来实现其烧蚀防热功能。此类树脂基复合材料在制作过程中，采用模压成型工艺将一定量的模压料加入喷管和内模具内，经加热、加压固化成型。在弹箭武器的发射过程中，在高温高压气流冲刷的条件下，喷管的模压料作为一种耐热、抗烧蚀材料，发生热解、气化、升华、辐射等作用，通过材料表面的质量迁移带走大量热量，从而达到耐高温的目的，以保证喷管和弹头安全发射。
[0004]碳纤维增强硼酚醛复合材料在高温(1000℃)的惰性气体中能碳化成C/C复合材料，具有耐热、耐气流冲击等优点，用于火箭喷嘴部件，头锥、防热层、机翼前缘等，还可用于火箭中的耐热垫片。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种新型碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料及制备方法，克服了现有技术的不足，进一步提高了硼酚醛树脂的力学性能。
[0006]为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案如下：
[0007]一种新型碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料，由以下原料制成：硼酚醛树脂溶液、脱模剂和碳纤维布。其中，硼酚醛树脂是一种改性酚醛树脂，在其分子链中引入了硼元素，由稳定的B
‑
O
‑
键代替了酚醛树脂中不稳定的酚羟基。因此，它的抗氧化性能和耐高温性能都比酚醛树脂高，热稳定性较好。炭基材料的耐烧蚀性与其在高温下分解形成炭的能力有直接关系，而硼酚醛树脂在900℃下的残炭率高达70％，它的热分解起始温度为428℃，是一种优良的耐高温材料。同时，硼酚醛树脂中的B
‑
O
‑
是柔性键，且键能较大，所以其具有较好的韧性和较高的强度，高温抗分层能力也很强。
[0008]其中，所述碳纤维布使用1K碳纤维布，面密度为200g/m2。
[0009]其中，所述脱模剂为YP
‑
106脱模剂。
[0010]其中，所述硼酚醛树脂溶液由以下重量份的原料制成：固体硼酚醛树脂40～60份、无水乙醇40～60份、偶联剂0.8
‑
1.2份、油酸0.1～1份、碳粉1.0～2.0份。油酸在本领域的主要用作复合材料的内脱模剂，而本专利技术油酸内的羧基能够与硅烷偶联剂交联，使该树脂胶液浸润碳纤维布后，能够提高碳纤维布之间的结合强度，从而提高本专利技术的树脂复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度等力学性能。而在树脂体系中引入碳粉，可以提高材料体系热解后的纤维层间结合强度，同时改善分解碳化过程的收缩率，从而抑制烧蚀过程中的分层作用，从而提高耐烧蚀能力。
[0011]其中，所述硼酚醛树脂溶液的制备方法为：按重量份，将硼酚醛树脂破碎后溶于无水乙醇，搅拌溶解，溶解后加入碳粉混合均匀，最后加入偶联剂和油酸搅拌混合均匀，即可。
[0012]其中，所述硼酚醛树脂溶液的游离酚含量小于5％。
[0013]制备碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料的方法，包括以下步骤：
[0014]S1，在浸胶机内加入硼酚醛树脂溶液，并加热至密度在1.0
‑
1.06g/cm3之间，使碳纤维布能够浸胶均匀，同时将碳纤维布除湿，然后调整浸胶机的车速为0.5～1.0m/min，对碳纤维布进行浸胶，浸胶后立即进行烘干，烘干的前段温度为70℃，中段为90℃，末端为110℃，然后收卷，裁剪后得到预浸布，备用；
[0015]S2，将模具表面涂覆脱模剂，并将模具加热至120℃，然后将预浸布按设计层数铺层并放入模具内，120℃预压30min，接着将模具温度升到150℃，在150℃～160℃下保温2～3h，再将模具升温到180℃，压力3～7MPa，在180℃下保温8～12h，待模具自然降温到60℃下卸模，制造出碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料。通过阶段升温，使树脂逐步交联反应，由小分子交联为大分子网状结构，不产生爆聚。同时逐步提高压力，既不使流动性好的没完全交联的树脂被挤出太多，又使树脂固化时产生的气体及时排出，使复合材料达到相应的密度和力学性能，进而使复合材料的力学性能得到保证。
[0016]本专利技术与现有技术相比较，本专利技术的实施效果如下：
[0017]本专利技术的碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料具有不燃烧、发烟率低、无毒气体放出的优点，且不含卤素、不含与基体不溶的阻燃性固体填料，该复合材料比热容大于1.1J/g
·
K，导热系数小于0.6W/(m.K)，同时具备优异的力学性能，耐烧蚀、抗冲刷、阻燃性能优异，是一种新型的碳/酚醛热防护材料，可作为结构防护一体化复合材料使用。此外，本专利技术的复合材料的原料配方有效降低了硼酚醛树脂溶液的游离酚含量，使该复合材料更加环保、健康。
具体实施方式
[0018]下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0019]实施例1
[0020]按重量份将4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料，其特征在于，由以下原料制成：硼酚醛树脂溶液、脱模剂和碳纤维布。2.根据权利要求1所述的一种新型碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料，其特征在于，所述碳纤维布使用1K碳纤维布，面密度为200g/m2。3.根据权利要求1所述的一种新型碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料，其特征在于，所述脱模剂为YP
‑
106脱模剂。4.根据权利要求1所述的一种新型碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料，其特征在于，所述硼酚醛树脂溶液由以下重量份的原料制成：固体硼酚醛树脂40～60份、无水乙醇40～60份、偶联剂0.8
‑
1.2份、油酸0.1～1份、碳粉1.0～2.0份。5.根据权利要求4所述的一种新型碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料，其特征在于，所述硼酚醛树脂溶液的制备方法为：按重量份，将硼酚醛树脂破碎后溶于无水乙醇，搅拌溶解，溶解后加入碳粉混合均匀，最后加入偶联剂和油酸搅拌混合均匀，即可。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈树，陈瑞，陈晨，陈妹，
申请(专利权)人：蚌埠市天宇高温树脂材料有限公司，
类型：发明
国别省市：