轻质C_C隔热材料的制备及性能研究

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1、硕士学位论文轻质C/C隔热材料的制备及性能研究RESEARCHONTHEPREPARATIONANDPROPERTIESOFLIGHTWEIGHTC/CTHERMALINSULATIONMATERIAL贺宗晶哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TU55学校代码：10213国际图书分类号：629.7密级：公开工学硕士学位论文轻质C/C隔热材料的制备及性能研究硕士研究生：贺宗晶导师：李明伟副教授申请学位：工学硕士学科：材料学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU55U.D.C:629.7Dissertatio

2、nfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONTHEPREPARATIONANDPROPERTIESOFLIGHTWEIGHTC/CTHERMALINSULATIONMATERIALCandidate：HeZongjingSupervisor：Prof.LiMingweiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,201

3、5Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要碳纤维密度低、比强度高，具有突出的耐热性能和化学性质，酚醛树脂作为粘结剂对碳纤维的润湿性良好，碳化层强度高且非常耐高温，在工程实践中以酚醛树脂碳结构连接碳纤维（CarbonBondedCarbonFiber，简称C/C材料），常常应用于新型航天飞行器隔热结构中。本文采用液相浸渍工艺，以碳纤维为主体框架，水溶性酚醛树脂作为粘结剂，通过真空抽滤、模压整体成型，并经固化制备碳纤维/酚醛树脂(CF/PF)复合材料，然后经碳化制备了轻质C/C隔热材料。

4、分析了隔热材料的多孔显微结构和力学性能，并深入研究了酚醛树脂的固化及碳化动力学、酚醛固化对多孔材料组织结构均匀性的影响机理以及隔热材料的成型机制和隔热原理。采用DTA和TG研究了酚醛树脂的固化动力学和碳化热解行为。研究结果表明：随着升温速率的提高，固化放热峰逐渐向高温方向移动，固化反应温度范围明显提高，但反应时间缩短。制备CF/PF复合材料较佳的固化工艺为101℃/2h+108℃/2h+137℃/2h，升温速率为1℃/min；C/C隔热材料碳化工艺为210℃/0.5h+380℃/0.5h+580℃/0.5h+900℃/2h，在N2保护下以2℃/min升温速率进行。由于起始固化温度过高，酚醛

5、树脂直接固化后结构疏松，存在孔洞、裂纹等缺陷。因此，制备CF/PF复合材料时采用预固化工艺处理预成型体，并分析树脂的迁移行为：自由预固化时由于多孔结构中的毛细力作用，水分挥发会带动酚醛树脂向上迁移，导致树脂在CF/PF复合材料中分布不均匀；采用密封条件预固化，水气蒸发后聚集在密闭空间内，几乎保持了饱和蒸汽压状态，极大地降低了水分和溶剂的蒸发速率，使酚醛树脂先发生原位凝胶，解决了最终C/C隔热材料中树脂分布不均的问题。控制预成型体制备时的压力值得到不同密度C/C隔热材料，其最可几孔径保持在60μm左右，孔隙率在70%以上。随着材料密度增加，层间距和孔隙率均减小，抗压强度和弯曲强度增大，密度为

6、0.260g/cm3时平行于碳纤维铺层方向加载，压缩强度最高达2.08MPa，弯曲强度最高可达4.79MPa。C/C隔热材料具有明显的分层结构，分散均匀的碳纤维构成了材料主体框架，碳纤维结点处粘附的树脂碳起到骨架固定作用；平行铺层加载抗压强度较小，薄弱的层间发生屈服导致裂纹扩展，垂直铺层加压时层间距逐渐减小，压实的层结构代替多孔结构承载使应力迅速增大；平行于铺层加载的抗弯强度高于垂直加载，这-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文是由于沿纤维层方向材料的承载能力高于垂直层方向。轻质C/C隔热材料具有优良的热物理性能：热膨胀系数在100℃~400℃区间内近似线性增加，400℃时不超过0.72×1

7、0-6℃-1，其较低的热膨胀系数说明该材料受热时尺寸稳定性良好。C/C隔热材料在30℃~240℃的热导率介于0.23~0.26W/(m·℃)之间，其较低的导热系数是由碳纤维杂乱的分散排列、层间疏松的空间结构以及较高的孔隙率决定的。C/C隔热材料的成型机制与酚醛树脂的固化密不可分，密封预固化可以控制酚醛树脂的迁移，实现了树脂的原位凝胶，从而使得C/C隔热材料结构均匀；C/C隔热材料特有的多孔结构特点，使其能够起到很好的隔热