一种低导热耐冲刷绝热材料及制备方法与流程

本发明属于固体发动机热防护，具体涉及一种低导热耐冲刷绝热材料及制备方法。

背景技术：

1、固体火箭发动机绝热材料在高温燃气作用下，通过自身烧蚀吸收大部分热量，而剩余少部分能量主要以热传导的方式穿过绝热材料炭化层、分解层和原始层到达发动机壳体，为起到良好的防隔热作用保护发动机结构完整性，绝热材料应具有良好的耐烧蚀、耐冲刷性能和低热导率。三维碳纤维编织体增强树脂基复合材料具有力学强度高、成炭率高、耐烧蚀等优点，常作为固体发动机绝热层增强层，起到抗高温燃气冲刷的作用。碳纤维高热导特性决定三维碳纤维编织体增强树脂基复合材料的热导率较高，远高于橡胶基绝热材料，部分高温燃气穿过增强层材料原始层到达下方的橡胶绝热层，靠近壳体的橡胶绝热材料表面粉化，导致烧蚀炭层易于剥离，降低绝热层耐冲刷性能。此外，固体发动机绝热层增强层的成型工艺是，将三维碳纤维编织体增强树脂基复合材料制成预制件后放入壳体硫化成型，绝热层贴片工艺要求绝热材料具有良好的柔韧性，但高模量碳纤维复合材料硬度较高，导致固体发动机绝热层搭接边等位置易出现界面鼓包、脱粘等问题，降低发动机绝热层成型质量可靠性。

2、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维等有机纤维具有导热系数低、韧性较高、可编织性良好等优点，可以用于制备绝热材料。如中国专利cn 104448576 a公开了一种烧蚀碳层可瓷化的三元乙丙橡胶绝热材料，以二氧化硅和有机改性蒙脱土作为补强剂，并加入长纤状或浆粕状的芳砜纶纤维，制备得到了三元乙丙橡胶绝热材料，减少了碳层的剥蚀脱落，可有效提高epdm绝热材料的抗烧蚀、抗冲刷及特征信号透过率等性能。中国专利cn 102120849 a公开了一种含有高规整梯形聚苯基硅倍半氧烷的三元乙丙橡胶耐烧蚀复合物及其制备方法，以三元乙丙橡胶作为基体，加入耐烧蚀纤维、硅烷偶联剂、耐烧蚀填料（为二氧化硅或硼酚醛树脂）等，经开炼、硫化的都耐烧蚀复合物，能达到低烧蚀的效果且力学性能良好。

3、但上述有机纤维编织体高温成炭率低于碳纤维编织体，作为耐冲刷绝热材料的纤维增强相使用，存在绝热层耐烧蚀、耐冲刷性能较差的问题。二氧化硅气凝胶是一种具有三维空间网络结构的由二氧化硅胶体颗粒组成的纳米多孔材料，其纳米孔径通常小于20nm，可有效抑制气体对流传热并减少固体热传导，热导率可低至0.02w/(m·k)以下，具有低热导率、低密度的优点，但无机体系网络交联程度较差，碳纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料力学强度较低，不满足发动机绝热层材料应用需求。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种低导热耐冲刷绝热材料及制备方法，以有机纤维与碳纤维混编的纤维预制体替代高度石墨化、高导热的碳纤维预制体作为增强相，同时向epdm基体中引入具有低热导率、低密度的sio2气凝胶，制备的cf-有机纤维/epdm-sio2低导热耐冲刷绝热材料与epdm绝热层界面粘接良好，防隔热效果和绝热层成型质量可靠性显著提高，满足固体火箭发动机绝热层轻质化应用需求。。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种低导热耐冲刷绝热材料，包括以下重量份原料：epdm：10~24份，硫化剂：0.25~2份，硫化促进剂：0.25~2份，耐烧蚀树脂：3~5份，sio2气凝胶5~15份，三乙醇胺1~5份，纤维65~80份。

3、优选的，所述硫化剂为过氧化二异丙苯（dcp）、2,4-二叔丁基过氧化异丙苯（bibp）、二叔丁基过氧化物（dtbp）、过氧化二苯甲酰（bpo）、二过氧化氢二异丙苯（dhp）中的任一种。

4、优选的，所述硫化促进剂为三烯丙基异氰脲酸酯（taic）、萜烯类化合物、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（tmpta）、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯（tmptma）、季戊四醇三丙烯酸酯（pet3a）、聚丁二烯中的任一种。

5、优选的，所述耐烧蚀树脂为酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、苯并噁嗪树脂、糠酮树脂、双马来酰亚胺树脂中的任一种。

6、优选的，所述纤维由碳纤维和有机纤维按照质量比为0.5:1~1:0.5组成；所述纤维体积含量为45~65%，编织体厚度为4~8mm。

7、优选的，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维（cf）；有机纤维为芳纶纤维（ppta）、聚酰亚胺纤维（pi）、聚对苯撑苯并双噁唑纤维（pbo）中的任一种。

8、优选的，所述sio2气凝胶为疏水性二氧化硅气凝胶粉末，热导率≤0.02w/m k。

9、本发明还提供一种低导热耐冲刷绝热材料的制备方法，包括以下步骤：

10、（1）将碳纤维和有机纤维混合编织，制备得到三维纤维编织体；

11、（2）采用溶剂溶解epdm、硫化剂、硫化促进剂、sio2气凝胶及三乙醇胺，超声处理得到胶液；

12、（3）将三维纤维编织体置于胶液中，真空浸渍后干燥，得到cf-有机纤维/epdm-sio2预浸料；

13、（4）将cf-有机纤维/epdm-sio2预浸料加热固化，得到cf-有机纤维/epdm-sio2耐冲刷绝热材料。

14、优选的，步骤（2）所述的溶剂为甲苯、二甲苯、丙酮、环己烷、庚烷、溶剂汽油中的任一种。

15、优选的，步骤（3）所述的浸渍温度为40~80℃，浸渍压力为1~3mpa，浸渍时间为0.5~2h；干燥温度为80℃。

16、优选的，步骤（4）所述的固化温度为150~170℃，固化时间为t90+10min。

17、本发明的有益效果在于：

18、1、将碳纤维与其他纤维采用特殊的工艺混编，ppta、pi、pbo等有机纤维制备的三维纤维编织体相比cf具有较高的韧性，制备的耐冲刷绝热材料具有更高的柔韧性，提高了耐冲刷绝热材料贴片工艺适配性，提升了发动机绝热层成型质量可靠性。

19、2、引入低热导率的sio2气凝胶，提高了复合材料的防隔热性能和绝热层的耐冲刷性能，避免出现高温燃气穿过增强层原始层材料使下层橡胶绝热材料表面粉化、烧蚀炭层易于剥离的现象。

20、3、采用低密度sio2气凝胶，降低了绝热层材料的密度，减少了固体发动机消极质量，为固体发动机燃烧室耐冲刷绝热层轻质化制造提供新的技术路径。

21、4、采用三乙醇胺替代常规的硅烷偶联剂，既具有表面活化的性能，其还能与sio2气凝胶中的硅羟基反应，避免sio2气凝胶发生聚团现象，使得胶液分散的更加均匀，制备得到的耐冲刷绝热材料性能更加稳定。

22、5、采用溶液浸渍法将三元乙丙、sio2气凝胶、耐烧蚀树脂的胶液附着至三维纤维编织体上，得到的耐冲刷绝热材料，其具有低导热、轻质、高韧性的优点，同时提高了防隔热性能和与epdm绝热层界面粘接质量可靠性，作为耐烧蚀、抗冲刷防隔热材料广泛应用于固体火箭发动机绝热层制作。

技术特征：

1.一种低导热耐冲刷绝热材料，其特征在于：包括以下重量份原料：epdm：10~24份，硫化剂：0.25~2份，硫化促进剂：0.25~2份，耐烧蚀树脂：3~5份，sio2气凝胶5~15份，三乙醇胺1~5份，纤维：65~80份。

2.根据权利要求1所述的一种低导热耐冲刷绝热材料，其特征在于：所述硫化剂为过氧化二异丙苯、2,4-二叔丁基过氧化异丙苯、二叔丁基过氧化物、过氧化二苯甲酰、二过氧化氢二异丙苯中的任一种。

3.根据权利要求1所述的一种低导热耐冲刷绝热材料，其特征在于：所述硫化促进剂为三烯丙基异氰脲酸酯、萜烯类化合物、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、聚丁二烯中的任一种。

4.根据权利要求1所述的一种低导热耐冲刷绝热材料，其特征在于：所述耐烧蚀树脂为酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、苯并噁嗪树脂、糠酮树脂、双马来酰亚胺树脂中的任一种。

5.根据权利要求1所述的一种低导热耐冲刷绝热材料，其特征在于：所述纤维由碳纤维和有机纤维按照质量比为0.5:1~1:0.5组成；所述纤维体积含量为45~65%，编织体厚度为4~8mm。

6.根据权利要求5所述的一种低导热耐冲刷绝热材料，其特征在于：所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维；有机纤维为芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维中的任一种。

7. 根据权利要求1所述的一种低导热耐冲刷绝热材料，其特征在于：所述sio2气凝胶为疏水性二氧化硅气凝胶粉末，热导率≤0.02w/m k。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的低导热耐冲刷绝热材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的溶剂为甲苯、二甲苯、丙酮、环己烷、庚烷、溶剂汽油中的任一种。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的浸渍温度为40~80℃，浸渍压力为1~3mpa，浸渍时间为0.5~2h；干燥温度为80℃；

技术总结
本发明公开了一种低导热耐冲刷绝热材料及制备方法，其中耐冲刷绝热材料包括按质量分数计的以下原料：EPDM 10~24份，硫化剂0.25~2份，硫化促进剂0.25~2份，耐烧蚀树脂3~5份，SiO2气凝胶5~15份，三乙醇胺1~5份，纤维65~80份。本发明通过碳纤维和低热导率有机纤维混合编织的三维纤维编织体作为增强体，向树脂体系中引入SiO2气凝胶，采用溶液浸渍法制备的三维纤维编织体增强EPDM‑SiO2气凝胶耐冲刷绝热材料具有低导热、轻质、高韧性的优点，提高防隔热性能和与EPDM绝热层界面粘接质量可靠性，作为耐烧蚀、抗冲刷防隔热材料广泛应用于固体火箭发动机绝热层制作。

技术研发人员：张洁,刘文辉,刘超,喻尧,张习龙,陈子茹,赵瑞,向贵锋,李欢欢
受保护的技术使用者：湖北三江航天江河化工科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5