隔热瓦/SiO2气凝胶复合材料的制备与性能

以莫来石纤维和玄武岩纤维为主要成分,以硅溶胶为黏接剂制备的隔热瓦作为增强体,真空浸渍SiO_2溶胶后经过凝胶、老化和超临界干燥工艺制备隔热瓦/SiO_2气凝胶复合材料,并对材料的微观结构、热稳定性和隔热性能进行了表征。结果表明:由于玄武岩纤维具有更细的直径和含有一定量的红外辐射抑制成分,随着隔热瓦中玄武岩纤维质量分数的增加,复合材料的室温热导率从63 mW/(m·K)降至47 mW/(m·K),在热面600℃持续15 min条件下的背面温度从200℃降至117℃,有效地提高了复合材料的隔热性能;但因玄武岩纤维的使用温度显著低于莫来石纤维,复合材料的高温线收缩率增大,热稳定性有所下降。     

柔性有机硅气凝胶复合材料的制备及性能研究

以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)和二甲基二甲氧基硅烷(DMDMS)为前驱体,通过溶胶-凝胶、常压干燥制备出柔性有机硅气凝胶,研究了MTMS与DMDMS的摩尔比对其化学组成和微观结构的影响;采用莫来石纤维毡作为增强体,制备出密度为0.25 g/cm~3的柔性有机硅气凝胶复合材料。实验结果表明,所制复合材料具有优异的热稳定性,其室温热导率在0.03 W/(m·K)以内;当MTMS和DMDMS的摩尔比为3.8∶1.2时,复合材料的均匀伸长率达3.6%、残重率达82.4%;复合材料经高温处理后,有机硅气凝胶转变为无机SiO_2气凝胶,较好地保持煅烧前的微观形貌和隔热性能;通过500 s石英灯静态加热,发现复合材料的表面有陶瓷化反应,厚度方向无收缩,背部温升81℃,表现出烧蚀/隔热的双重特性。     

热处理对纤维增强SiO2气凝胶性能的影响

采用溶胶一凝胶法制备了纤维增强SiO_2气凝胶隔热材料,对基体SiO_2气凝胶及复合材料进行不同温度的热处理.利用扫描电镜、比表面积和孔径测试仪和导热仪等手段对处理后材料的微观结构和常温隔热性能进行表征.结果表明:复合材料经低于700℃处理后,材料基体的微观结构略有变化,常温隔热性能基本保持不变;经1000℃处理的纳米结构发生了烧结、纳米孔含量减少,常温隔热性能显著降低.     

高硅氧纤维/酚醛泡沫复合材料的结构与性能

以高硅氧短切纤维毡为增强体,分别以酚醛树脂和酚醛泡沫为基体,制备了高硅氧/酚醛与高硅氧/酚醛泡沫两种复合材料,采用红外光谱分析、扫描电镜分析、热失重分析等方法对其结构和性能进行了表征。结果表明,两种材料具有相似的基体化学结构和相近的固化反应温度,均具有良好的耐热性能,性能测试结果表明,复合材料中基体由酚醛树脂变成酚醛泡沫后,力学性能明显降低,同时,密度由1.65 g/cm3降低至0.5 g/cm3,热导率由0.5 W/(m·K)降低至0.09 W/(m·K)。     

耐高温透波气凝胶复合材料性能

针对高马赫数飞行器中恶劣热环境对透波隔热材料的需求,采用溶胶-凝胶方法,以透波型石英纤维为增强体,通过超临界干燥及后处理制备透波二氧化硅气凝胶复合材料;并采用扫描电子显微镜、平板导热仪、石英灯辐射加热及万能电子试验机等手段对材料的微观形貌结构、隔热性能、耐温性及力学性能进行了表征。结果表明:二氧化硅透波气凝胶复合材料有良好的介电性能,介电常数在1.28~1.39可调、损耗角正切≤0.005;耐温性≥1 100℃、室温热导率≤0.02 W/(m·K);具有较好的力学性能,能保证飞行器在恶劣飞行环境中的通讯、遥测、制导等系统的正常工作。     

空心石英纤维/酚醛树脂复合材料的结构与性能

将石英纤维空心化,并通过模压成型方法制备了空心纤维/酚醛树脂复合材料。结果表明,空心纤维的空腔直径为4～7μm,随着纤维空心度增大(0～0.5),纤维的力学强度提高。在相同的纤维体积分数下,当纤维空心度从0增大到0.5时,复合材料的密度和热导率分别从1.63 g/cm3和0.49 W/(m·K)降低到1.46 g/cm3和0.41 W/(m·K),烧蚀性能保持不变。采用此方法制备的空心纤维/酚醛复合材料同时具有良好的隔热、防热性能。     

柔性二氧化硅气凝胶综述

二氧化硅气凝胶具有低密度、高孔隙率、高比表面积、低导热性等特点,但存在强度低、韧性差等缺陷。在此基础上,柔性二氧化硅气凝胶通过改进传统二氧化硅气凝胶的制备工艺表现出了更优的力学性能与适用性。本文综述了国内外柔性二氧化硅气凝胶的最新研究进展,分析对比了不同类型气凝胶的性能参数;重点介绍了柔性二氧化硅气凝胶常用的制备方法,如前驱体改性法、聚合物改性法和纤维增强法。其中前驱体改性法通过对硅源种类的选择和组合,较容易实现气凝胶材料的微观结构与性能的设计,是目前制备柔性二氧化硅气凝胶的主要方法以及研究的热点内容。此外,总结了柔性二氧化硅气凝胶在保温隔热、油水分离、高效隔音领域的应用;同时对其发展前景进行了展望。     

PICA-X的制备及其炭化前后性能研究

采用不同浓度热塑性酚醛树脂溶液浸渍莫来石纤维毡,经过溶胶-凝胶反应和常压干燥后,制备出酚醛浸渍陶瓷烧蚀体(PICA-X,0.45~0.50 g/cm~3),后研究了其炭化前后微观形貌、力学、隔热及抗氧化性能。结果表明:PICA-X具有莫来石纤维增强酚醛气凝胶复合结构,其弯曲强度为26.7~34.0 MPa,热导率为36~40 m W/(m·K)。经过1 000℃炭化后,C-PICA-X的弯曲强度为13.9~14.5 MPa,热导率为41~45m W/(m·K);PICA-X炭化前后均表现出较好的抗氧化性能。     

飞机壁板复杂载荷试验技术

针对火星表面低温大气环境下多层隔热组件隔热性能大幅衰减、不能满足火星车保温需求的难题,提出了一种新型、高效、轻质纳米气凝胶隔热装置设计方法,采用在真空和火星大气环境下导热率极低的纳米气凝胶为隔热材料,通过基于低导热复合材料的盒盖式局部支撑封装、气凝胶与结构间填充缓冲泡沫进行多余物过滤、铺设反射屏进行辐射漏热隔离、开设排气孔等设计方法,解决了力学性能增强、多余物控制、辐射漏热隔离、快速泄复压等工程应用难题,成功完成纳米气凝胶在祝融号火星车的工程应用。地面试验测试结果表明,1 400 Pa、二氧化碳气氛、25℃时纳米气凝胶隔热装置总导热系数低至0.008 0 W/(m·K),有力保障了祝融号火星车舱内设备在零加热功率补偿条件下在轨温度仍处于允许范围内。火星车纳米气凝胶隔热装置总质量为5.95 kg,仅占火星车总质量的2.5%。     

胶含量对CF/BF复合材料性能的影响

制备了碳纤维/玄武岩纤维(CF/BF)增强酚醛树脂复合材料,研究了复合材料层合板不同胶含量对其层间剪切强度、热传导和耐烧蚀性能的影响。结果表明:CF/BF复合材料,在胶的体积分数为35%时,复合材料经纬向层间剪切强度达到最大值21和20 MPa;在胶的体积分数为39.5%处,热导率和线烧蚀率出现最低值0.366 W/(m.K)和87μm/s。CF/BF混杂纤维复合材料性能符合混杂纤维复合材料性能混杂效应规律。     

锆英石对纳米SiO2多孔绝热材料绝热性能的影响

降低红外辐射传热是解决纳米SiO2多孔绝热材料高温绝热性能差的关键。本文探讨了锆英石作为红外遮光剂对纳米SiO2多孔绝热材料绝热性能的影响。结果表明:微米级锆英石的引入,可大幅降低红外辐射传热,显著提高材料高温绝热性能,当掺加35%锆英石时,可将材料500℃时热导率从0.119W/(m·K)降低至0.053W/(m·K)。同时对锆英石的红外遮光机理进行了探讨和分析。     

Microstructure,thermophysical property and ablation behavior of high thermal conductivity carbon/carbon composites after heat-treatment

Uni-directional carbon/carbon composites with high thermal conductivity are suitable to supply continuous thermal protection for future reentry vehicles since they could reduce surface temperature and ablation rates simultaneously in harsh environments. In this work, the high thermal conductivity carbon/carbon composites were prepared by chemical vapor infiltration. After heat-treatment, both their open porosity and internal friction increase due to the fiber/matrix thermal expansion mismatch; while their thermal conductive performance become better due to more complete carbon structure. With raising heat-treatment temperature from 1800 °C to 2450 °C, the mass and linear ablation rates of C/C composites with fibers vertical to the oxyacetylene torch for 60 s decrease from 0.66 mg/s and 2.95 μm/s to 0.51 mg/s and 2.05 μm/s respectively. The improved ablation resistance is resulted from the increased thermal conductivity from 282 to 508 W/(m·K) and more carbon fibers exposed to the flame during ablation, which have better oxidation resistance than those of carbon matrix. While such ablation rates become larger for composites with fibers parallel to the flame, from 1.02 mg/s and 3.73 μm/s to 1.28 mg/s and 5.01 μm/s respectively since the ablation occurred more easily through gaps at the fiber/matrix interfaces, which become larger and are always exposed to the flame for this case.     

纤维增强基于α-BPDA 聚酰亚胺复合材料性能

为了考察基于α-BPDA聚酰亚胺复合材料的高温性能,制备了纤维增强复合材料,进行了高温力学和热物理性能的测试。研究结果表明纤维增强复合材料的T5d分解温度为565℃;Tg超过471℃;在450℃下的弯曲强度保持率大于42%,弯曲模量保持率大于55%,短梁剪切强度保持率超过44%;400℃空气热老化50 h后碳纤维复合材料的弯曲强度保持率66%,弯曲模量保持率为95%;300、500℃的石英增强复合材料的热导率分别为0.503和0.657 W/(m.K)。     

酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能

为考察纳米孔径的酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能,以酚醛树脂为碳源,环戊烷为发泡剂,吐温80为表面活性剂,对甲苯磺酸为固化剂,采用发泡固化碳化工艺制备了低密度泡沫碳材料。所制备的泡沫碳材料密度为0. 3 g/cm^3,压缩强度达到了11. 7 MPa。采用LFA457激光导热仪考察了泡沫碳材料在不同温度下(25、200、400、600℃)的导热性能,25℃下热导率为0. 141 W/(m·K),600℃下热导率为0. 344 W/(m·K);通过氧乙炔试验(30 s/60 s)对泡沫碳材料与C/C复合材料在同样的气流条件下隔热性能进行了比较,在材料正面烧蚀峰值温度泡沫碳材料比C/C复合材料高出约400℃的情况下,背面峰值温度比C/C复合材料仍低出150℃;通过氧乙炔试验考察泡沫碳材料的抗烧蚀性能,氧乙炔烧蚀60 s的线烧蚀率为0. 031 mm/s。试验结果证明低密度的泡沫碳材料同时具备优异的隔热与高温抗烧蚀性能。     

纳米隔热材料的热导率变化规律

为认识和掌握纳米隔热材料的热导率变化规律,以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源、炭黑为遮光剂、石英纤维为增强体,采用溶胶-凝胶工艺结合超临界干燥技术制备了纳米隔热材料,并采用热导率测试仪、N_2吸附-脱附、SEM、激光粒度仪对材料进行了表征。测试结果表明:未添加炭黑的材料常压热导率随表观密度的变化以203 kg/m~3为分界点,分界点之前随表观密度的增大线性降低,分界点之后则随表观密度的增大线性升高,并且后一阶段较前一阶段变化快。孔隙率相同时,常压热导率随炭黑含量的增加先降低后稍有升高,极限真空热导率逐渐降低,而常压条件下的气相热导率增大。在半对数坐标系中,气相热导率随环境气压的下降而降低,并且依据降低速率可以划分为三个阶段,101.325～30 kPa之间下降最快,且变化值约为6 mW/(m·K);30～0.1 kPa之间下降较快,且变化值约为2 mW/(m·K);0.1～0.01 kPa之间下降最慢,且基本可以忽略不计。材料常压热导率最低值为16.62 mW/(m·K),添加5wt%的炭黑后可以进一步降低至14.50 mW/(m·K)。     

超高温刚性隔热材料的制备及性能

针对新型航天飞行器高温隔热(约1 500℃)的迫切需求,开展了超高温刚性隔热材料的制备和性能研究。采用陶瓷纤维和无机粘结剂,经过湿法抽滤成型、高温热处理等工艺制备了刚性隔热材料。对材料的微观结构、热物理和力学性能进行了表征、测试。结果表明:纤维有效粘结在一起;通过改变纤维和粘结剂的比例,可以调节材料性能;热导率、力学性能与密度近似呈直线关系。材料在1 500℃经1 h处理后线收缩率<2%,密度为0.3～0.5 g/cm3,热导率为0.06～0.09 W/(m.K),压缩强度为0.6～1.2 MPa。     

适于低温应用的玻璃纤维/聚醚酰亚胺复合材料

采用不同含量玻璃纤维/聚醚酰亚胺制备高性能复合材料,对其超低温(-253℃)线胀系数进行深入研究,并对其常温下的热导率、力学性能进行比较.结果表明,玻璃纤雏质量分数为30%时,复合材料的综合性能优异,其典型性能如下:低温线胀系数纵向为2.16×10~(-5)/K,横向为3.03×10~(-5)/K,热导率为0.31W/(m·K),拉伸强度为158 Mpa,弯曲强度为264 Mpa,无缺口冲击强度为4.24 J/cm~2.     

高强度中间相沥青基泡沫碳的制备及性能

以中间相沥青为原料,通过加入中间相碳微球和溶剂抽提两种方法对中间相沥青进行改性,实现了对中间相沥青基泡沫碳的微观结构的调控,对两种方法进行了对比讨论.结果表明,改性后沥青制备的泡沫碳的裂纹数量较少,长度较短,并且泡沫碳的孔径较小;加入55%中间相碳微球的沥青制备的泡沫碳的炭化(1573 K)后的压缩强度高达26.2 MPa,在2 873 K石墨化后强度达到17.7 MPa,热导率为41.4 W/(m·K).利用甲苯抽提后的沥青得到的泡沫碳在炭化(1 573 K)后强度高达30.0 MPa,在2 873 K石墨化后强度达到9 MPa,热导率达到80 W/(m·K).