本發(fā)明屬于燒蝕體材料領(lǐng)域，具體涉及一種剛性短切碳纖維預(yù)制體的制備方法。
背景技術(shù)：
熱防護系統(tǒng)(Thermal protection system, TPS) 是保護飛行器在高超聲速穿越星球大氣層時免遭嚴(yán)酷氣動加熱環(huán)境的損傷，安全進入星球的飛行器子系統(tǒng)。通?？蓪岱雷o材料分為可重復(fù)使用熱防護材料和燒蝕熱防護材料兩類。酚醛浸漬碳燒蝕體材料（Phenolic impregnated carbon ablator, PICA）是眾多燒蝕型熱防護材料的一種。公開資料表明，PICA是由酚醛樹脂溶液浸漬短切碳纖維預(yù)制體制備出具有纖維增強的酚醛氣凝膠結(jié)構(gòu)材料。根據(jù)PICA的制備工藝流程，可將其分為剛性短切碳纖維預(yù)制體的制備和酚醛樹脂碳氣凝膠結(jié)構(gòu)的制備。對于PICA剛性短切碳纖維預(yù)制體的制備，目前主要采用真空抽濾成型和壓力抽濾成型。真空抽濾成型，（1）工藝耗時，需要使用價格較貴的模具造型設(shè)備；（2）材料性能呈現(xiàn)各向異性（碳纖維沿xy面擇優(yōu)取向，在z向纖維含量較少）；（3）碳纖維層層抽濾疊加，易分層。壓力抽濾成型，工藝相對簡單，解決了碳纖維疊加易分層的缺陷，但是仍無法解決材料性能各向異性的問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的旨在提供一種剛性短切碳纖維預(yù)制體的制備方法，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中短切碳纖維預(yù)制體制備過程中材料易分層、性能各向異性、工藝耗時的缺陷。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
一種剛性短切碳纖維預(yù)制體的制備方法，包括以下步驟：
（1）將短切碳纖維、熱塑性酚醛樹脂粉、多糖類高分子和分散劑加入到水中，研磨均勻，制成料漿；其中，短切碳纖維占短切碳纖維和水總質(zhì)量的40~60wt%，分散劑占水質(zhì)量的0.5~1.0wt%，熱塑性酚醛樹脂粉占短切碳纖維質(zhì)量的5~10wt%，多糖類高分子占短切碳纖維質(zhì)量的1~8wt%；
（2）將步驟（1）所得料漿加熱至40~80℃，攪拌形成溶膠；
（3）將步驟（2）所得溶膠倒入模具內(nèi)，待其形成凝膠之后，在100~120℃常壓干燥60~120min，再自然冷卻至室溫，制得短切碳纖維預(yù)制體生坯；
（4）對步驟（3）所得短切碳纖維預(yù)制體生坯進行高溫碳化處理，制得剛性短切碳纖維預(yù)制體。
較好地，所述短切碳纖維的長度為100μm~1mm。
較好地，所述熱塑性酚醛樹脂粉的粒徑為80~300目。
較好地，所述多糖類高分子為瓊脂、瓊脂糖、明膠或果膠。
較好地，所述分散劑為聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、羥乙基纖維素、羧甲基纖維素、十二烷基苯磺酸鈉、聚丙烯酸或聚丙烯酸銨。
較好地，步驟（4）具體為：將步驟（3）所得短切碳纖維預(yù)制體生坯放置于炭化爐中，以100~120℃/h的升溫速率升溫至300~500℃，保溫60~90min；再以25~50℃/h的升溫速率升溫至600~800℃，保溫60~90min；再以10~25℃/h的升溫速率升溫至900~1000℃，保溫60~90min；降至室溫，制得剛性短切碳纖維預(yù)制體。
本發(fā)明提供了一種剛性短切碳纖維預(yù)制體的制備方法，以短切碳纖維作為增強體，以多糖類高分子作為短切碳纖維的粘接劑，以熱塑性酚醛樹脂作為后續(xù)碳氣凝膠的前驅(qū)體，采用溶膠-凝膠、常壓干燥、高溫碳化的方法制備出了剛性短切碳纖維預(yù)制體，克服了現(xiàn)有技術(shù)制備碳纖維預(yù)制體時材料易分層、性能各向異性明顯、工藝耗時的缺陷。由于是將短切碳纖維、熱塑性酚醛樹脂、多糖類高分子與水混合制備成料漿，然后將該料漿倒入模具中，經(jīng)常壓干燥、高溫碳化獲得剛性短切碳纖維預(yù)制體，可根據(jù)最終零部件結(jié)構(gòu)的不同，可將具有低粘度、高短切碳纖維含量的料漿澆注進不同形狀及尺寸的模具中，具有結(jié)構(gòu)的可調(diào)節(jié)性。根據(jù)本發(fā)明制備出的剛性短切碳纖維預(yù)制體，可用于生產(chǎn)酚醛浸漬碳燒蝕體材料，該種材料具有良好的隔熱性，可用于高超聲速飛行器的熱防護系統(tǒng)。
具體實施方式
以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明做進一步的說明。應(yīng)理解，以下實施例僅用于說明本發(fā)明而非用于限制本發(fā)明的范圍。
實施例1
一種剛性短切碳纖維預(yù)制體的制備方法，包括以下步驟：
（1）將短切碳纖維粉分散到分散劑含量0.5wt%的水溶液中，制成料漿，其中分散劑為聚丙烯酸，短切碳纖維的長度為100μm，短切碳纖維占短切碳纖維和水總質(zhì)量的40wt%；
（2）將5wt%（以所用短切碳纖維粉的質(zhì)量為基準(zhǔn)，酚醛樹脂的質(zhì)量為短切碳纖維粉質(zhì)量的5wt%）的熱塑性酚醛樹脂粉（粒徑80目）加入到步驟（1）所得料漿中；
（3）將1wt%（以所用短切碳纖維粉的質(zhì)量為基準(zhǔn)，瓊脂糖的質(zhì)量為短切碳纖維粉質(zhì)量的1wt%）的瓊脂糖粉加入到步驟（2）所得料漿中；
（4）將步驟（3）所得料漿放入球磨機中，混合均勻；
（5）將步驟（4）中混合均勻的料漿加熱至40℃，攪拌至形成溶膠；
（6）將步驟（5）所得溶膠倒入模具內(nèi)，待其形成凝膠之后，放入100℃烘箱內(nèi)常壓干燥120min，再自然冷卻至室溫，制得短切碳纖維預(yù)制體生坯；
（7）將步驟（6）所得短切碳纖維預(yù)制體生坯放置于炭化爐中，以120℃/h的升溫速率升溫至300℃，保溫60min；再以50℃/h的升溫速率升溫至600℃，保溫60min；再以25℃/h的升溫速率升溫至900℃，保溫60min；斷電隨爐自然降至室溫，獲得剛性短切碳纖維預(yù)制體。
對制得的剛性短切碳纖維預(yù)制體的性能進行測試：材料密度為0.27g/cm3，xy向壓縮強度為0.22MPa，z向壓縮強度為0.35MPa，xy向熱導(dǎo)率為0.27W/m·K（室溫），z向熱導(dǎo)率為0.33W/m·K（室溫）。
實施例2
一種剛性短切碳纖維預(yù)制體的制備方法，包括以下步驟：
（1）將短切碳纖維粉分散到分散劑含量0.5wt%的水溶液中，制成料漿，其中分散劑為聚丙烯酸銨，短切碳纖維的長度為500μm，短切碳纖維占短切碳纖維和水總質(zhì)量的50wt%；
（2）將5wt%（以所用短切碳纖維粉的質(zhì)量為基準(zhǔn)，酚醛樹脂的質(zhì)量為短切碳纖維粉質(zhì)量的5wt%）的熱塑性酚醛樹脂粉（粒徑100目）加入到步驟（1）所得料漿中；
（3）將5wt%（以所用短切碳纖維粉的質(zhì)量為基準(zhǔn)，明膠粉的質(zhì)量為短切碳纖維粉質(zhì)量的5wt%）的明膠粉加入到步驟（2）所得料漿中；
（4）將步驟（3）所得料漿放入球磨機中，混合均勻；
（5）將步驟（4）中混合均勻的料漿加熱至60℃，攪拌至形成溶膠；
（6）將步驟（5）所得溶膠倒入模具內(nèi)，待其形成凝膠之后，放入110℃烘箱內(nèi)常壓干燥90min，再自然冷卻至室溫，制得短切碳纖維預(yù)制體生坯；
（7）將步驟（6）所得短切碳纖維預(yù)制體生坯放置于炭化爐中，以110℃/h的升溫速率升溫至400℃，保溫90min；再以30℃/h的升溫速率升溫至700℃，保溫90min；再以15℃/h的升溫速率升溫至950℃，保溫90min；斷電隨爐自然降至室溫，獲得剛性短切碳纖維預(yù)制體。
對制得的剛性短切碳纖維預(yù)制體的性能進行測試：材料密度為0.20g/cm3，xy向壓縮強度為0.29MPa，z向壓縮強度為0.28MPa，xy向熱導(dǎo)率為0.19W/m·K（室溫），z向熱導(dǎo)率為0.22W/m·K（室溫）。
對照例2′
與實施例2的不同之處在于：省略步驟（3），即沒有加入明膠粉。其它均同實施例2。
對制得的剛性短切碳纖維預(yù)制體的性能進行測試：材料密度為0.23g/cm3，xy向壓縮強度為0.31MPa，z向壓縮強度為0.17MPa，xy向熱導(dǎo)率為0.25W/m·K（室溫），z向熱導(dǎo)率為0.19W/m·K（室溫）。
實施例3
一種剛性短切碳纖維預(yù)制體的制備方法，包括以下步驟：
（1）將短切碳纖維粉分散到分散劑含量1.0wt%的水溶液中，制成料漿，其中分散劑為聚丙烯酰胺，短切碳纖維的長度為1mm，短切碳纖維占短切碳纖維和水總質(zhì)量的60wt%；
（2）將10wt%（以所用短切碳纖維粉的質(zhì)量為基準(zhǔn)，酚醛樹脂的質(zhì)量為短切碳纖維粉質(zhì)量的10wt%）的熱塑性酚醛樹脂粉（300目）加入到步驟（1）所得料漿中，混合制得料漿；
（3）將7.5wt%（以所用短切碳纖維粉的質(zhì)量為基準(zhǔn)，果膠粉的質(zhì)量為短切碳纖維粉質(zhì)量的7.5wt%）的果膠粉加入到步驟（2）所得料漿中；
（4）將步驟（3）所得料漿放入球磨機中，混合均勻；
（5）將步驟（4）中混合均勻的料漿加熱至80℃，攪拌至形成溶膠；
（6）將步驟（5）所得溶膠倒入模具內(nèi)，待其形成凝膠之后，放入120℃烘箱內(nèi)常壓干燥60min，再自然冷卻至室溫，制得短切碳纖維預(yù)制體生坯；
（7）將步驟（6）所得短切碳纖維預(yù)制體生坯放置于炭化爐中，以100℃/h的升溫速率升溫至500℃，保溫90min；再以25℃/h的升溫速率升溫至800℃，保溫90min；再以10℃/h的升溫速率升溫至1000℃，保溫90min；斷電隨爐自然降至室溫，獲得剛性短切碳纖維預(yù)制體。
對制得的剛性短切碳纖維預(yù)制體的性能進行測試：材料密度為0.23g/cm3，xy向壓縮強度為0.31MPa，z向壓縮強度為0.34MPa，xy向熱導(dǎo)率為0.38W/m·K（室溫），z向熱導(dǎo)率為0.36W/m·K（室溫）。
結(jié)論：
1、根據(jù)發(fā)明人的研究，當(dāng)所述短切碳纖維占短切碳纖維和水總質(zhì)量的40~60wt%時，均可以制得本發(fā)明的剛性短切碳纖維預(yù)制體。當(dāng)短切炭纖維的含量超過60wt%時，短切碳纖維不易均勻分散；而當(dāng)短切炭纖維的含量低于40wt%時，纖維之間不易搭接，不能形成性能良好的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；
2、通過上述實施例1~3可知，根據(jù)本發(fā)明所提供的方法制備的剛性短切碳纖維預(yù)制體的密度、壓縮強度和熱導(dǎo)率均滿足作為酚醛樹脂浸漬碳燒蝕體的要求。在上述三個實施例中，特別是當(dāng)短切碳纖維占短切碳纖維和水總質(zhì)量的50wt%、酚醛樹脂粉的含量為5wt%、明膠粉的質(zhì)量為5wt%時，制備出的剛性短切碳纖維預(yù)制體的性能最優(yōu)；
3、通過實施例2與對照例2′可知：在其他條件完全相同的條件下，加入多糖類高分子可以克服制備碳纖維預(yù)制體時性能各向異性明顯的缺陷。
以上所述實施例，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護范圍。本發(fā)明未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。