一种用于固体火箭发动机喷管的轻质隔热耐烧蚀酚醛树脂的制作方法

本发明涉及固体火箭发动机领域，特别涉及一种用于固体火箭发动机喷管的轻质隔热耐烧蚀酚醛树脂。

背景技术：

1、固体火箭发动机喷管烧蚀层要承受高温高压高速燃气的冲刷(烧蚀)，是固体火箭发动机工况最恶劣的部位，固体火箭发动机的故障相当一部分在于烧蚀层抗冲刷能力不足、隔热能力不足从而导致喷管烧穿或热防护失效。固体火箭发动机喷管烧蚀层一般采用酚醛树脂增强碳纤维编织布预浸料缠绕成型以提高其抗冲刷(烧蚀)能力，利用酚醛树脂在高温燃气作用下迅速分解成炭的化学反应从而抵抗冲刷，因此，酚醛树脂分解残炭率是其抗燃气冲刷的关键。

2、提高酚醛树脂的耐烧蚀性能通常将酚醛树脂改性，即在树脂分子链中引入金属或非金属元素等，例如钼酚醛、钡酚醛等。但是仅通过单一的树脂改性，不能满足其他性能，如工艺性、密度要求等。

技术实现思路

1、发明旨在提供一种含有中空纳米碳球的酚醛树脂，将中空纳米碳球经过改性后与酚醛树脂进行化学键合，在提高残炭率的同时降低导热系数，从而同时实现具有低烧蚀率、低导热系数和低密度的有益效果。

2、本发明采用的技术方案为：一种用于固体火箭发动机喷管的轻质隔热耐烧蚀酚醛树脂，包括改性中空纳米碳球和酚醛树脂。

3、进一步的，所述中空纳米碳球颗粒和酚醛树脂的质量比例为(10-30):120。

4、进一步的，所述中空纳米碳球的粒径为10-30nm。

5、进一步的，所述中空纳米碳球的中空孔径为5-20nm。

6、进一步的，所述中空纳米碳球经过表面改性，表面改性步骤为：将中空碳球颗粒分散在酸溶液体系中，在50-120℃下，搅拌反应3-24h。

7、进一步的，所述酚醛树脂包括钡酚醛树脂、氨酚醛树脂、硼酚醛树脂或镁酚醛树脂中的至少一种。

8、进一步的，所述中空纳米碳球的制备方法包括：

9、在容器中加入浓硝酸，在砂芯漏斗的滤板上装载乙炔黑粉末；将砂芯漏斗放入已经加入浓硝酸的容器中，使之位于浓硝酸液面之上；将上述容器放入不锈钢反应釜中密封；使上述配好的反应釜升温，并保温进行反应，冷却后，取出滤板上的产物，用离水漂洗，然后烘干，得中空纳米碳球。所述容器采用聚四氟乙烯材质。

10、进一步的，所述浓硝酸质量浓度为65％-70％。硝酸的浓度决定了中空纳米碳球的孔径。

11、进一步的，所述乙炔黑粉末的粒径为15-30nm。乙炔黑的粒径决定了中空纳米碳球的粒径。

12、本发明还提供一种固体火箭发动机喷管，包括上述的轻质隔热耐烧蚀酚醛树脂。

13、与现有技术相比，本发明方法具有以下优点和有益效果：

14、本发明通过将中空碳球颗粒添加进酚醛树脂，用于制备火箭发动机喷管，促进烧蚀层的自烧结性能，提升其隔热作用，可同时实现具有低烧蚀率、低导热系数和低密度的有益效果。

15、中空纳米碳球是一类具有中空核壳结构的功能性纳米材料，结构特殊、比表面积大、比重小、热稳定性、导电、导热和抗压性能好等一系列优点。控制其粒径和孔径在一定范围内可以维持高分子主体材料的化学稳定性，防止小分子的挥发，且碳球本身在烧蚀时易炭化，成炭量的增加可抵抗烧蚀。因而，将中空纳米碳球进行表面改性后，与酚醛树脂进行化学键合，能够提高酚醛树脂的残炭率从而提高抗烧蚀能力，其中空结构具有较低的导热系数从而提高缠绕喷管制品的隔热性能，同时中空结构还可以进一步降低喷管的重量，提高固体火箭自身载荷。

技术特征：

1.一种用于固体火箭发动机喷管的轻质隔热耐烧蚀酚醛树脂，其特征在于，包括改性中空纳米碳球和酚醛树脂。

2.根据权利要求1所述的一种用于固体火箭发动机喷管的轻质隔热耐烧蚀酚醛树脂，其特征在于，所述中空纳米碳球颗粒和酚醛树脂的质量比例为(10-30):120。

3.根据权利要求1所述的一种用于固体火箭发动机喷管的轻质隔热耐烧蚀酚醛树脂，其特征在于，所述中空纳米碳球的粒径为10-30nm。

4.根据权利要求1所述的一种用于固体火箭发动机喷管的轻质隔热耐烧蚀酚醛树脂，其特征在于，所述中空纳米碳球的中空孔径为5-20nm。

5.根据权利要求1所述的一种用于固体火箭发动机喷管的轻质隔热耐烧蚀酚醛树脂，其特征在于，所述中空纳米碳球经过表面改性，表面改性步骤为：将中空碳球颗粒分散在酸溶液体系中，在50-120℃下，搅拌反应3-24h。

6.根据权利要求1所述的一种用于固体火箭发动机喷管的轻质隔热耐烧蚀酚醛树脂，其特征在于，所述酚醛树脂包括钡酚醛树脂、氨酚醛树脂、硼酚醛树脂或镁酚醛树脂中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的一种用于固体火箭发动机喷管的轻质隔热耐烧蚀酚醛树脂，其特征在于，所述中空纳米碳球的制备方法包括：

8.根据权利要求7所述的一种用于固体火箭发动机喷管的轻质隔热耐烧蚀酚醛树脂，其特征在于，所述浓硝酸质量浓度为65％-70％。

9.根据权利要求7所述的一种用于固体火箭发动机喷管的轻质隔热耐烧蚀酚醛树脂，其特征在于，所述乙炔黑粉末的粒径为15-30nm。

10.一种固体火箭发动机喷管，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的轻质隔热耐烧蚀酚醛树脂。

技术总结
本发明涉及一种用于固体火箭发动机喷管的轻质隔热耐烧蚀酚醛树脂，中空纳米碳球是一类具有中空核壳结构的功能性纳米材料，结构特殊、比表面积大、比重小、热稳定性、导电、导热和抗压性能好等一系列优点。控制其粒径和孔径在一定范围内可以维持高分子主体材料的化学稳定性，防止小分子的挥发，且碳球本身在烧蚀时易炭化，成炭量的增加可抵抗烧蚀。因而，本发明将中空纳米碳球进行表面改性后，与酚醛树脂进行化学键合，能够提高酚醛树脂的残炭率从而提高抗烧蚀能力，其中空结构具有较低的导热系数从而提高缠绕喷管制品的隔热性能，同时中空结构还可以进一步降低喷管的重量，提高固体火箭自身载荷。

技术研发人员：吕爱民,胡铭杰,廖俊,黄驰,徐节荣,周子翔,祝珊
受保护的技术使用者：湖北航泰科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27