[发明专利]一种胶囊结构轻质热防护复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种胶囊结构轻质热防护复合材料，包括短纤维增强体、有机聚合物树脂和无机填料，以有机聚合物树脂为基体，基体内包覆有短纤维增强体和无机填料，当基体受热分解、烧蚀时，无机填料暴露受热发生分解、软化、烧结、熔融，覆盖在基体表面。本发明还公开了前述胶囊结构轻质热防护复合材料的制备方法，本发明工艺简单、制备周期短、减缓碳纤维及基体烧蚀。

技术领域

本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种胶囊结构轻质热防护复合材料及其制备方法。

背景技术

各类返回式航天器在返回地面时，以极高的速度进入大气层，通过与大气摩擦产生大量的气动热，使得表面温度高达1500 ℃或更高，如果对于气动热不加以妥善管理，大量的热量将传入航天器内部，造成内部货物、机电设备破坏，以及乘员的丧生。因此需要有高效的热防护材料用于保护航天器的安全。通常使用的热防护材料有刚性陶瓷隔热瓦和烧蚀材料。

早期，刚性陶瓷隔热瓦重要用于美国航天飞机的热防护材料，该材料由陶瓷纤维和高温烧结助剂经高温烧结获得，具备较高的技术难度。然而，该类材料存在脆性大、变形能力差、装配和维护成本高、难以制备大尺寸构件等缺点。烧蚀材料是利用受热后材料发生物理或化学的吸热变化或反应，如蒸发、升华、化学裂解等途径，通过自身材料质量和结构的损失，带走表面热量，阻止热量进一步传入内部，保护飞行器。相比于被动热防护材料，烧蚀材料没有最高使用温度这一限制。因此，可抵抗极端高热流的环境，特别适用于一次性的返回式航天器热防护使用。

美国NASA的Ames研究中心，使用酚醛树脂浸渍刚性碳纤维预制体，获得了一种低密度（~0.3g/cm³）、低热导率的酚醛浸渍碳纤维烧蚀材料（PICA），成功的用于Stardust深空探测器的返回任务。但是，受限于刚性碳纤维预制体的尺寸限制和制造成本，在后续的MSL和欧空局的好奇号，以及SpaceX公司的Dragon货运飞船中，不得不使用分块设计，并且纤维增强材料替换为价格更加低廉的碳纤维针刺毡。这些航天器的成功地完成返回任务，证实了轻质烧蚀材料用于航天器热防护应用是安全可行的。

但是，一方面在有氧的气氛下，碳纤维及其树脂基体会加速氧化、分解，造成烧蚀量的增加，如何阻隔氧气的进入能够减缓烧蚀材料的氧化分解，同时减少气体对流对传热的贡献。另外，纤维预制体的加工通常受到幅宽和厚度的限制，纤维的成分较为单一，难以根据需求制备特定尺寸、大幅宽以及多种纤维混合的纤维预制体。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、制备周期短、减缓碳纤维及基体烧蚀的胶囊结构轻质热防护复合材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种胶囊结构轻质热防护复合材料，包括短纤维增强体、有机聚合物树脂和无机填料，以有机聚合物树脂为基体，基体内包覆有短纤维增强体和无机填料，当基体受热分解、烧蚀时，无机填料暴露受热发生分解、软化、烧结、熔融，覆盖在基体表面。

作为对上述技术方案的进一步改进：

所述胶囊结构轻质热防护复合材料的密度为0.15~1.8g/cm³，压缩强度为0.2~20MPa，2000℃、15s烧蚀条件下，质量烧蚀率在0.030~0.12g/s，线烧蚀率在0.0602~0.415mm/s。

作为一个总的发明构思，本发明提供一种胶囊结构轻质热防护复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将无机填料的原料按预设比例称量，加入分散介质混合后进行球磨，球磨后干燥浆料，得到粒度≯200nm的无机填料；

S2、按预设要求将短纤维增强体、有机聚合物树脂、有机溶剂、增粘剂和无机填料加热搅拌，使有机聚合物树脂完全溶解、短纤维增强体和无机填料均匀分散在液相中，得注模浆料；