蜂窝结构增强酚醛树脂基复合材料制备及性能研究.pdf

实验报告 年第 期高科技纤维与应用蜂窝结构增强酚醛树脂基复合材料制备及性能研究牟秀娟 姚璐璐 李洋 祁涛 王其坤(北京玻钢院复合材料有限公司 北京 特种纤维复合材料重点实验室 北京)摘 要:以蜂窝结构的玻璃纤维织物/酚醛树脂材料为增强体 以低密度酚醛树脂为基体 并分别以玻璃微珠和酚醛微珠为填料 制备了两种防隔热材料 经 氧乙炔烧蚀考核 采用酚醛微珠制得的材料 表现出较优的抗烧蚀隔热性能 试样的平均烧蚀质量为 平均烧蚀厚度为 背面平均温升为 采用玻璃微珠制得的材料 平均烧蚀质量为 平均烧蚀厚度为 背面平均温升为 两种材料均具有较低的密度、室温热导率和良好的抗压强度 采用酚醛微珠制得的材料 密度为 /热导率为 /()向 应变压缩强度为 、方向压缩强度为 采用玻璃微珠制得的材料 密度为 /室温热导率为 /()向应变压缩强度为 、方向的压缩强度为 酚醛微珠制得的材料表现出较优的综合性能关键词:蜂窝结构增强体 酚醛微珠 玻璃微珠 抗烧蚀性能 隔热性能中图分类号:文献标识码:文章编号:()作者简介:牟秀娟()硕士 研究方向为树脂基复合材料工艺与应用 电子邮箱:通信作者:王其坤()博士 高级工程师 研究方向为树脂基复合材料工艺与应用 电子邮箱:(.):/实验报告 高科技纤维与应用 年第 期 /()/():引言随着我国载人航天、深空探测等工程的快速发展 载入体载入速度逐渐提升 热环境也更加苛刻 飞行器大面积长时间暴露在有氧环境下环境温度高达 以上 关键部位瞬时温度可达 以上 因此 对飞行器表面防隔热材料提出异常苛刻的要求 研究开发防隔热性能更优、轻质化、低成本的新型热防护材料以应对更严酷的飞行环境始终是材料工程师们追求的目标为了使热防护用复合材料轻量化 可通过在纤维预浸料制备过程中添加轻质中空微珠来降低材料密度 提高隔热性能 但是 这种方法的最大添加量限制了材料密度调节的范围 难以制备更低密度、更优隔热性能的材料 另外 还有采用预制件成型后通过溶胶凝胶工艺制备气凝胶化的热防护材料的工艺路线 但是 该方法纤维预制件制备周期长(一般在 个工作日以上)用于溶胶 凝胶工艺的树脂原材料价格高等因素也限制了材料的使用本文提出以蜂窝结构的玻璃纤维织物增强酚醛树脂材料为结构增强体 以低密度酚醛树脂为基体 并分别以玻璃微珠和酚醛微珠作为轻质填料 制备了两种低密度蜂窝结构增强酚醛树脂基防隔热材料 分别记为 和 同时分析了两种填料对材料制备尺寸控制、微观结构、密度、力学性能以及防隔热性能的影响 获得了抗烧蚀隔热性能优、力学性能好 可满足轻量化、低成本要求的新型热防护材料 实验 实验原材料玻璃纤维织物增强酚醛树脂的蜂窝板购自北京东晟新锐自动化工程技术有限公司 蜂窝格子壁厚 边长为 孔高为 低密度酚醛树脂为华东理工大学提供 牌号 玻璃 微 珠 为 中 钢 集 团 提 供 堆 积 密 度 为 /酚醛微珠为河南泛锐复合材料研究院有限公司提供 堆积密度为 /材料制备首先将低密度酚醛树脂、微珠填料和固化剂按 的比例混合、搅拌成糊状料浆 随后将蜂窝结构增强体置于模具内 并将料浆均匀注 实验报告 年第 期高科技纤维与应用入蜂窝孔内 最后合上模具 置于烘箱内进行 固化 脱模后进行干燥处理 得到 (玻璃微珠作为填料)、(酚醛微珠作为填料)两种低密度蜂窝结构增强酚醛树脂基防隔热材料 性能表征采用体积法测试材料密度 采用氧乙炔烧蚀考 察 材 料 的 抗 烧 蚀 隔 热 性 能 火 焰 温 度 为()试样尺寸为 采用/标准测试材料 的热导率采用/标准测试材料的抗压强度 采用 扫描电子显微镜进行材料微观结构分析 结果与分析 材料组成结构表 为材料制备过程中固化、干燥环节导致材料尺寸的变化情况 如表 中所示:两种材料的模具尺寸均为 制得的材料 试板尺寸为 试板在长度方向上收缩了 在宽度方向上收缩了 厚度方向上没有收缩 制得的材料 试板尺寸为 试板在长度方向上收缩了 在宽度方向上收缩了 厚度方向上没有收缩 由此可见 在材料制备过程中会出现试板收缩现象 而采用酚醛微珠填料制得的材料 试板收缩更大经分析 导致材料工艺过程收缩的原因如图 所示 图()为所用牌号 多孔酚醛树脂基体放大 微观形貌 该基体材料具有富含大量纳米微孔结构 这种微观结构的酚醛树脂不仅能显著降低材料密度 还可显著降低材料的热导率 赋予材料良好的隔热性能 但是 这种富含大量纳米微孔结构的酚醛树脂在固化、干燥过程中容易产生收缩现象 进而导致了两种材料在工艺过程中长、宽方向均产生了收缩现象 另外 蜂窝结构增强体在 方向的刚性弱 易变形 在 向的刚性好抗变形能力强 当多孔酚醛树脂固化、干燥产生收缩时 蜂窝结构增强体在 方向抑制或抵消材料收缩的能力弱 在 向可有效抑制或抵消材料基体收缩 因此 两种材料试板均在 方向上产生工艺收缩 在 向没有收缩问题表 材料 、试板尺寸及收缩率材料编号模具尺寸/试样尺寸/收缩率/长宽厚长宽厚长宽厚 图 材料外部形貌 图 ()所示为材料 断口放大 倍微观形貌 玻璃微珠直径约 紧密堆积在多实验报告 高科技纤维与应用 年第 期 孔酚醛基体中 图 ()所示为材料 断口放大 倍微观形貌 酚醛微珠的直径约 松散分布在多孔酚醛基体中 结合两种微珠堆积密度的差异(玻璃微珠堆积密度为 /酚醛微珠堆积密度为 /)可知:在两种材料所用料浆组分配比均一致的前提下 酚醛微珠在材料基体中的体积占比显著低于玻璃微珠在材料基体中的体积占比 因此 酚醛微珠填料对多孔酚醛基体收缩的抑制效果小 材料 试板在 方向的收缩率更大 由于材料工艺过程中的收缩率不同以及两种微珠填料的堆积密度不同制得的两种材料密度及组成含量也存在显著差异(表)材料 的密度为 /材料中蜂窝结构增强体的质量占比为 树脂的质量占比为 玻璃微珠的质量占比为 材料 的密度为 /材料中蜂窝结构增强体的质量占比为 、树脂的质量占比为 、玻璃微珠的质量占比为 表 材料 、的密度及组成材料编号密度/组分名称组分占比/蜂窝结构树脂牌号轻质填料蜂窝结构 树脂轻质填料 玻璃纤维/酚醛玻璃微珠 酚醛微珠 材料抗压强度两种材料的抗压强度见表 采用玻璃微珠制得的材料 在 向 应变压缩强度为 、离散系数为 在 方向的压缩强度为 离散系数为 采用酚醛微珠制得的材料 在 向 应变压缩强度为 、离散系数为 在 方向的压缩强度为 、离散系数为 对比两种材料在 向的抗压强度数据可知:材料 在 向的抗压强度显著高于材料 在 向的抗压强度 大约高出了 材料 在 向抗压强度的离散系数也显著低于材料 由此表明材料 在 向的抗压性能不仅高于材料 其抗压性能稳定性也优于材料 对比两种材料在 方向的抗压强度数据可知:两种材料在 方向的抗压强度相差不足 但材料 在 方向压缩强度的离散系数也显著低于材料 由此表明两种材料在 方向的压缩强度相近 但材料 在 方向的抗压性能稳定性也优于材料 表 材料 、的抗压强度材料编号 向 应变条件下抗压强度 方向抗压强度抗压强度/标准差离散系数/抗压强度/标准差离散系数/结合两种材料工艺过程收缩现象以及材料密度、组成结构的差异性可知:材料 制作过程中沿长、宽方向收缩量大 由此导致材料 单位面积蜂窝格子的相对量高于材料 同时由于蜂窝格子 向刚性好 抗变形能力高于低密度酚醛基体 材料沿 向的抗压强度主要由蜂窝格子增强体发挥作用 因此 材料 在 向的抗压强度显著优于材料 由于蜂窝增强材料在 方向易变形 其在 方向的抗变形能力不及低密度酚醛基体 材料沿 方向的抗压强度 实验报告 年第 期高科技纤维与应用主要由微珠填充的多孔酚醛基体发挥作用 因此两种材料在 方向的抗压强度相差不大 在材料抗压稳定性方面 由于材料 所用酚醛微珠和低密度酚醛基体的界面结合优于玻璃微珠和低密度酚醛基体的界面结合 使得酚醛微珠制得的材料 基体的结构稳定性优于玻璃微珠制得的材料 材料 沿 向和 方向的抗压强度表现出更低的离散系数 材料抗烧蚀、隔热性能两种材料氧乙炔烧蚀考核试样宏观形貌如图 所示 两种试样均表面平整、结构完整 蜂窝格子纹理清晰 材料表现出良好的可加工性和结构稳定性两种材料经 氧乙炔烧蚀考核 后的宏观形貌如图 所示 从材料烧蚀后的宏观形貌来看 两种材料烧蚀后均表现出完整的组织结构和良好的抗烧蚀性能 从材料烧蚀后的形貌细节来看 两种材料中蜂窝格子内基体均有受热收缩而产生龟裂现象 材料 烧蚀面有熔融的玻璃态物质 凹坑较深 烧蚀后退量较大 材料 烧蚀表面没有熔融的玻璃态物质 凹坑较浅 烧蚀后退量较小 表现出更好 的 抗 烧 蚀性能图 材料 、氧乙炔烧蚀考核试样的宏观形貌图 材料 、经 氧乙炔烧蚀考核后的宏观形貌实验报告 高科技纤维与应用 年第 期 两种材料的抗烧蚀、隔热性能见表 两种材料均均有良好的隔热性能 材料 的室温热导率为 /()材料 的室温热导率为 /()材料 的隔热性能略优于材料 在 氧乙炔烧蚀环境下考核 后 材料 三个试样质量损失均为 平均质量损失为 烧蚀厚度分别为 、平均烧蚀厚度为 材料 三个试样质量损失分别为 、平均质量损失为 烧蚀厚度分别为 、平均烧蚀厚度为 可见 酚醛微珠制得的材料 表现出更优的抗烧蚀性能 平均烧蚀厚度仅为玻璃微珠制得材料 的 左右表 材料 、的抗烧蚀、隔热性能材料编号热导率()/()火焰温度/烧蚀时间/烧蚀质量/烧蚀厚度/烧蚀前烧蚀后烧蚀量烧蚀前烧蚀后烧蚀量背面温升/对比两种材料烧蚀过程中的平均背面温升曲线 如图 所示 结合表 可知:在氧乙炔 环境下 的考核过程中 材料 平均背温从 上升至 三个试样的背温分别升高了 、和 材料 背面平均温升为 材料 平均背温从 上升至 三个试样的背温分别升高了 、和 材料 的背面平均温升为 材料 的背面平均温升比材料 降低了 表现出更优的隔热性能 对比两种材料背面升温速率可知:在 至 内 两种材料背面温度升高缓慢 内仅上&;KT5#图 蜂窝结构/酚醛树脂基复合材料 烧蚀过程中的背面温升曲线 实验报告 年第 期高科技纤维与应用升了约 材料在 后的升温速率明显加快其中材料 的背面温度在 内上升了约 材料 的背面温度在 内上升了约 另外 两种材料的平均温升曲线在 前后有相交 前材料 的背温略低于材料 而 后材料 的背温显著低于材料 分析原因:采用酚醛微珠制得的材料 在高温烧蚀条件下碳化后仍能保持良好的抗剥蚀能力 烧蚀考核过程中仅发生高温氧化烧蚀 材料烧蚀后退量小 采用玻璃微珠制得的材料 在高温烧蚀条件下玻璃微珠烧蚀熔融物抗气流冲刷能力弱 在气流冲刷力的作用下被严重剥蚀材料烧蚀后退量大 进一步分析可知 由于两种材料之间的抗烧蚀性能差异 导致了材料 烧蚀后退量大 试样变薄 材料的隔热能力加速下降 因此在烧蚀 后 材料背温上升较快材料 烧蚀后退量显著低于材料 因此材料的隔热能力比材料 下降慢 材料 在 后的背温上升速率明显低于材料 表现出更优的隔热性能 结论()以蜂窝结构的玻璃纤维织物/酚醛树脂材料为增强体 结合低密度酚醛树脂和微珠轻质填料 可制备低成本、低密度、低热导的综合性能良好的蜂窝结构增强树脂基防隔热材料 制得的材 料 密 度 为 /热 导 率 为 /()制 得 的 材 料 密 度 为 /热导率为 /()()采用酚醛微珠制得的材料 表现出更优的抗烧蚀、隔热性能 在 氧乙炔烧蚀 的 考 核 条 件 下 材 料 平 均 烧 蚀 厚 度 为 背面平均温升 采用玻璃微珠制得的材料 平均烧蚀厚度为 背面平均温升 ()所得材料具有良好的抗压强度 材料 在 向 应变压缩强度为 向的压缩强度为 材料 在 向 应变压缩强度为 向的压缩强度为 材料 的 向抗压强度显著高于材料 ()酚醛微珠在高温烧蚀碳化后仍能保持良好的抗剥蚀能力 烧蚀过程中仅以高温氧化烧蚀为主 材料烧蚀后退量小 玻璃微珠在高温烧蚀条件下形成的玻璃熔融物 抗气流冲刷能力弱 在气流冲刷下被严重剥蚀 材料烧蚀后退量大参考文献 陈思安 胡海峰 陈志华 一种耐烧蚀轻质防热隔热一体化复合材料及其制备方法:冯军宗 冯坚 张震 等 一种炭气凝胶隔热复合材料的制备方法:丁磊 陈南梁 王晋熹 等 表面处理对 增强膜材性能的影响 玻璃钢/复合材料():杨海龙 孙陈诚 李俊宁等 一种耐高温低热导率隔热透 波 材 料 及 其 制 备 方 法:王焕焕 气凝胶隔热保温涂料的研究及保温结构优化设计 涂料工业 ():辛玲 王大奎 刘小冲 基于前躯体转化陶瓷的耐高温防隔热材料一体化结构及其制作方法和应用:王中华 廖继红 一种快速固化预浸料用环氧树脂体系及其制备方法 高科技纤维与应用():