论文部分内容阅读
短切碳纤维预制体(Fiberform)是一种低密度碳碳复合材料,具有低密度、低热导率、低热膨胀系数、高孔隙率等优点,广泛应用于航天和高温隔热领域。以Fiberform为增强体制备的酚醛浸渍碳烧蚀体(PICA)更是作为NASA新一代烧蚀材料,应用于NASA的诸多航天器和探测器中。本工作以短切碳纤维、硼改性酚醛树脂为原料,聚丙烯酰胺作为分散剂,经溶液混合均匀,真空成型,干燥固化和碳化制备出形貌良好,密度较低的短切碳纤维预制体。对短切碳纤维预制体进行石墨化处理和硅改性以进一步提高其力学性能和抗氧化性能。并以热塑性酚醛树脂溶液浸渍短切碳纤维预制体(同时进行碳化研究)和硅改性预制体,制备出一系列低密度PICA。论文的主要结论如下：(1)以短切碳纤维、酚醛树脂为原料,采用真空成型制备短切碳纤维预制体。通过控制纤维类型长度、纤维树脂比、聚丙烯酰胺溶液浓度、真空度、固化温度以及碳化温度等条件,优化短切碳纤维预制体的微观形貌,提升其力学性能。其中,最佳的实验条件为：沥青基碳纤维P800,树脂／纤维=1：1,聚丙烯酰胺溶液浓度为0.2%,真空度为0.1 MPa,固化温度为140℃,碳化温度为900℃。所得到的预制体为短切纤维的各向异性堆积体,密度为0.178g/cm3,孔隙率为67.8%。10%应变下,正向和侧向抗压强度分别为0.339 MPa和0.794 MPa,正向和侧向导热系数分别为0.0240 W/(m.K)和0.1517W/(m-K)。(2)石墨化改性和硅改性对短切碳纤维预制体的影响的研究。石墨化处理略提高了短切碳纤维预制体的密度,但大幅提升了材料的力学性能(近10%)和抗氧化性能(起始氧化温度由600℃提高到850℃),且不影响材料的导热系数。硅改性(CPDMS改性体)略提高短切碳纤维预制体的密度,但大幅提升了材料的力学性能(近25%)和抗氧化性能(900℃下的残余质量比为16.2%),也提升了材料的导热系数(近4倍)。(3)采用热塑性酚醛树脂溶液浸渍短切碳纤维预制体和硅改性预制体制备得到普通PICA和CPDMS-PICA,并对普通PICA进行碳化研究。研究发现,PICA是酚醛气凝胶包覆碳纤维的结构,其密度和压缩性能随着树脂溶液浓度的增加而增大。PICA碳化后仍能保持基本形貌,压缩性能较PICA略有减弱。CPDMS-PICA较普通PCIA的压缩性能有所增强,抗氧化性有所增强,但导热系数也有所增大。其中和NASA的PICA相近的PICA-10的密度为0.277g/cm3,10%应变下,正向和侧向的压缩强度为0.426 MPa和1.172 MPa,正向和侧向的导热系数为0.0458 W/(m·K)和0.0486 W/(m-K)。和PICA-10对应的CPDMS-PICA-10的密度为0.246g/cm3,10%应变下,正向和侧向的压缩强度为0.893 MPa和1.255 MPa,正向和侧向的导热系数为0.0605 W/(m·K)和0.0509 W/(m·K)。