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金属所制备满足航天航空应用的耐超高温轻质碳基复合材料
2022年05月16日 发布 分类:技术前沿 点击量:197
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近日,中国科学院金属研究所热结构复合材料团队采用高压辅助固化-常压干燥技术,通过基体微结构控制、纤维-基体协同收缩、原位界面反应制备出耐超高温隔热-承载一体化轻质碳基复合材料。相关成果于近日在线发表在ACS Nano上。

轻质碳基复合材料

轻质碳基复合材料表现出优异的承载能力、抗剪切能力以及大尺寸成型能力

碳气凝胶(CAs)因其优异的热稳定性和热绝缘性,有望成为新一代先进超高温轻质热防护系统设计的突破性解决方案。然而,CAs高孔隙以及珠链状颗粒搭接的三维网络结构致使其强度低、脆性大、大尺寸块体制备难,限制了其实际应用。国内外普遍采用碳纤维或陶瓷纤维作为增强体,以期提升CAs的强韧性及大尺寸成型能力。然而,由于碳纤维或陶瓷纤维与有机前驱体气凝胶炭化收缩严重不匹配,导致复合材料出现开裂甚至分层等问题,使材料的力学和隔热性能显著下降。目前,发展耐超高温、高效隔热、高强韧的CAs材料及其大尺寸可控制备技术仍面临巨大挑战。

近年来,研究团队相继发展了溶胶凝胶-水相常压干燥(小分子单体为反应原料)、高压辅助固化-常压干燥(线性高分子树脂为反应原料)2项CAs制备技术。为了实现前驱体有机气凝胶和增强体的协同收缩,该团队设计了一种超低密度碳-有机混杂纤维增强体,其碳纤维盘旋扭曲呈“螺旋状”,有机纤维具有空心结构,单丝相互交叉呈“三维网状”,赋予其优异的超弹性。在此基础上,该团队以工业酚醛树脂为前驱体,采用高沸点醇类为造孔剂并辅以高压固化,促使有机网络的均匀生长及大接触颈、层次孔的生成,实现了骨架本征强度的提升,同时采用与前驱体有机气凝胶匹配性好的酚醛纤维作为增强体,通过纤维/基体界面原位反应,实现了炭化过程中基体和纤维的协同收缩及纤维/基体界面强的化学结合,最终获得了大尺寸、无裂纹的碳纤维增强类CAs复合材料。


来源:中科院金属研究所

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