本發(fā)明涉及功能復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

如火星探測(cè)器等行星際飛行器高速進(jìn)入地外行星大氣層和從外太空再入地球大氣層時(shí)，由于速度極快，會(huì)產(chǎn)生劇烈的氣動(dòng)加熱，因此必須對(duì)飛行器的外表面實(shí)施熱防護(hù)措施。飛行器的重量決定了所需運(yùn)載火箭的推力要求，進(jìn)而決定了工程的可實(shí)現(xiàn)性。所以，降低遠(yuǎn)行星際探測(cè)飛行器外表面熱防護(hù)系統(tǒng)的重量對(duì)于工程的實(shí)現(xiàn)十分關(guān)鍵。

早期的大密度燒蝕熱防護(hù)材料如聚四氟乙烯、三維石英織物/酚醛復(fù)合材料和碳-酚醛復(fù)合材料等被用于高速?gòu)椀缹?dǎo)彈的燒蝕熱防護(hù)系統(tǒng)；碳-酚醛復(fù)合材料和先進(jìn)碳-碳復(fù)合材料等不僅可用于彈道導(dǎo)彈熱防護(hù)，也可用于近地軌道再入飛行器的燒蝕熱防護(hù)系統(tǒng)，這類(lèi)材料的密度≥1.0g/cm³。美國(guó)在阿波羅登月工程中開(kāi)發(fā)出兩種密度在0.4～1.0g/cm³區(qū)間內(nèi)的中密度燒蝕熱防護(hù)材料，avcoat-5026和sla-561v。這兩種中密度燒蝕熱防護(hù)材料在美國(guó)登月工程及其后的火星探測(cè)工程中經(jīng)受過(guò)多次實(shí)際飛行考核。avcoat-5026和sla-561v的密度均約為0.6g/cm³。avcoat-5026材料實(shí)際上是表面復(fù)合了熱控涂層的蜂窩增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料。我國(guó)神舟飛船返回艙再入大氣層時(shí)所用的熱防護(hù)材料與avcoat-5026類(lèi)似。這些材料的缺點(diǎn)是密度大，熱防護(hù)系統(tǒng)所占的消極載荷份額大。

碳纖維剛性隔熱瓦具有耐溫高、輕質(zhì)多孔、隔熱效果好等優(yōu)點(diǎn)，可直接作為超高溫隔熱材料使用，還可以作為原材料，通過(guò)復(fù)合樹(shù)脂制備輕質(zhì)燒蝕材料或抗氧化碳基陶瓷復(fù)合材料。洪長(zhǎng)青等制備了一種密度為0.352～0.701g/cm³的碳纖維基pica燒蝕材料(參見(jiàn)：hongc,hanj,zhangx,etal.novelphenolicimpregnated3-dfine-wovenpiercedcarbonfabriccomposites:microstructureandablationbehavior[j].compositespartbengineering,2012,43(5):2389-2394.)，該論文以細(xì)編穿刺碳纖維預(yù)制體為纖維基體，向其孔隙中復(fù)合酚醛樹(shù)脂，但該材料的缺點(diǎn)是密度較大，此外該材料在4.5mw/m²的氧/乙炔火焰燒蝕試驗(yàn)中，線(xiàn)燒蝕率為0.019～0.036mm/s，質(zhì)量燒蝕率為0.045～0.061g/s，燒蝕速率較快。美國(guó)在火星探測(cè)工程中開(kāi)發(fā)出名為“pica”的低密度燒蝕熱防護(hù)材料。剛性pica是以碳纖維剛性隔熱瓦為基體，向其孔隙中復(fù)合酚醛樹(shù)脂而制備的復(fù)合材料，這類(lèi)輕質(zhì)燒蝕材料的密度為0.27g/cm³。美國(guó)纖維材料合伙公司(fibermaterialsincorporation,fmi)生產(chǎn)了一種牌號(hào)為的碳纖維輕質(zhì)剛性隔熱瓦，將直徑為14～16微米的碳纖維短切至1.6毫米長(zhǎng)，與水溶性酚醛樹(shù)脂及溶劑混合打漿后濕法成型，酚醛樹(shù)脂固化后在782.2℃下碳化，進(jìn)而在1782.2℃高溫?zé)崽幚砗笾频靡?imgfile="bda0001374530730000022.gif"wi="287"he="56"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>碳纖維剛性隔熱瓦為基體，向其孔隙中復(fù)合酚醛樹(shù)脂而制備的復(fù)合材料，其密度為0.15～0.23g/cm³。但是這些材料僅以普通酚醛樹(shù)脂為填充相，熱導(dǎo)率高，且普通酚醛樹(shù)脂在1200℃高溫空氣氛圍下會(huì)發(fā)生燃燒，導(dǎo)致其抗氧化性不高，耐溫性不足，燒蝕速率快，此外，這些材料抗氣流沖刷性能不夠優(yōu)異，且表面發(fā)射率低，不能有效抑制飛行器表面由于輻射而導(dǎo)致的溫度升高(參見(jiàn)中國(guó)專(zhuān)利cn201611100591)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決一個(gè)或者多個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種密度低、燒蝕速度慢、熱導(dǎo)率低、發(fā)射率高、隔熱效果好和抗氣流沖刷性能優(yōu)異的碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料及其制備方法和應(yīng)用。

本發(fā)明在第一方面提供了一種碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料，所述碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料包括碳纖維剛性隔熱瓦基體、酚醛氣凝膠和硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物；所述酚醛氣凝膠復(fù)合在所述碳纖維剛性隔熱瓦基體的低溫面和內(nèi)部；所述硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物復(fù)合在所述碳纖維剛性隔熱瓦基體的高溫面。

優(yōu)選地，所述碳纖維剛性隔熱瓦基體由短切碳纖維和酚醛樹(shù)脂組成，和/或短切碳纖維與酚醛樹(shù)脂質(zhì)量比為(100～120)：(10～15)；和/或所述碳纖維剛性隔熱瓦基體的密度為0.10～0.40g/cm³，優(yōu)選為0.10～0.20g/cm³，更優(yōu)選為0.13～0.17g/cm³。

優(yōu)選地，所述碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料的密度為0.20～0.80g/cm³，優(yōu)選為0.20～0.40g/cm³，更優(yōu)選為0.20～0.25g/cm³。

本發(fā)明在第二方面提供了一種碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

(1)碳纖維剛性隔熱瓦基體的制備：

將短切碳纖維、酚醛樹(shù)脂預(yù)聚物和丙酮混合并攪拌均勻，過(guò)濾，將濾餅置于模具中成型得到坯體，將所述坯體依次經(jīng)梯度升溫烘干固化、高溫裂解和熱處理，制得碳纖維剛性隔熱瓦基體；

(2)硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物前驅(qū)體的制備：將硼酚醛樹(shù)脂預(yù)聚物、高發(fā)射率填料和分散劑混合均勻，得到硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物前驅(qū)體；

(3)將步驟(2)制得的硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物前驅(qū)體涂覆在步驟(1)制得的碳纖維剛性隔熱瓦基體的高溫面，經(jīng)梯度升溫烘干固化，制得高溫面復(fù)合硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物的碳纖維剛性隔熱瓦基體；

(4)酚醛氣凝膠前驅(qū)體的制備：以酚類(lèi)物質(zhì)和醛類(lèi)物質(zhì)水溶液為原料、弱堿性試劑為催化劑以及水為分散劑，制得酚醛氣凝膠前驅(qū)體；

(5)使用步驟(4)制得的酚醛氣凝膠前驅(qū)體浸漬步驟(3)制得的高溫面復(fù)合硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物的碳纖維剛性隔熱瓦基體，然后靜置使酚醛氣凝膠前驅(qū)體交聯(lián)并膠凝，再依次經(jīng)過(guò)老化、溶劑置換和干燥，制得碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料。

優(yōu)選地，在步驟(1)中：攪拌的時(shí)間為1～2小時(shí)；高溫裂解的溫度為800℃～1000℃，高溫裂解的時(shí)間為2～3小時(shí)；熱處理的溫度為1700℃～1900℃，熱處理的時(shí)間為30～60分鐘；所述短切碳纖維的直徑為14～16微米，長(zhǎng)度為1～2毫米；所述短切碳纖維、酚醛樹(shù)脂預(yù)聚物和丙酮的質(zhì)量比為(100～120)：(10～15)：(20000～25000)。

優(yōu)選地，在步驟(2)中：所述分散劑為乙醇；所述高發(fā)射率填料選自由玻璃粉、四硼化硅、六硼化硅、碳化硼、碳化鋯、碳化硅、碳化鉿、二硅化鉬和二硅化鉭組成的組；優(yōu)選的是，所述高發(fā)射率填料選自由硼硅玻璃粉、碳化硼、四硼化硅、六硼化硅和二硅化鉬組成的組；更優(yōu)選的是，所述高發(fā)射率填料由硼硅玻璃粉、碳化硼、四硼化硅和二硅化鉬組成或者由硼硅玻璃粉、碳化硼、六硼化硅和二硅化鉬組成，并且以質(zhì)量計(jì)硼硅玻璃粉：碳化硼：四硼化硅或六硼化硅：二硅化鉬為(5～8)：(1～2)：(1～2)：(2～4)；和/或所述硼酚醛樹(shù)脂預(yù)聚物、高發(fā)射率填料和分散劑的質(zhì)量比為(100～120)：(9～16)：(200～300)。

優(yōu)選地，在步驟(4)中：酚類(lèi)物質(zhì)、醛類(lèi)物質(zhì)水溶液、堿性試劑和分散劑的質(zhì)量比為(55～60)：(90～100)：(1～2)：(850～950)；所述醛類(lèi)物質(zhì)水溶液的濃度為37～40wt％；所述弱堿性試劑為碳酸鈉；所述酚類(lèi)物質(zhì)選自由苯酚、間苯二酚、間苯三酚、甲酚、二甲酚、混甲酚和壬基酚組成的組；和/或所述醛類(lèi)物質(zhì)選自由甲醛、多聚甲醛、糠醛和乙醛組成的組。

優(yōu)選地，在步驟(5)中：浸漬采用真空浸漬；靜置的時(shí)間為18～30小時(shí)；老化的溫度為70℃～90℃，老化的時(shí)間為60～80小時(shí)；溶劑置換在醇溶劑中進(jìn)行，優(yōu)選為在乙醇溶劑中進(jìn)行；干燥優(yōu)選為超臨界干燥，更優(yōu)選為超臨界二氧化碳干燥。

優(yōu)選地，步驟(1)和/或步驟(3)中的梯度升溫烘干固化的程序?yàn)椋合壬郎刂?20℃～130℃保溫2～2.5小時(shí)，然后升溫至140℃～150℃保溫2～2.5小時(shí)，再升溫至160℃～170℃保溫2～2.5小時(shí)，最后升溫至180℃～190℃保溫2～2.5小時(shí)。

本發(fā)明在第三方面提供了本發(fā)明在第一方面提供的碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料或者由本發(fā)明在第二方面提供的制備方法制備的碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料在飛行器外表面的熱防護(hù)材料中的應(yīng)用。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比至少具有如下有益效果：

1、本發(fā)明制得的碳纖維剛性隔熱瓦的密度低(甚至低至0.10g/cm³)。

2、本發(fā)明制得的碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料的密度低(甚至低至0.20g/cm³)，可以在高達(dá)2000℃的環(huán)境溫度下使用，在飛行器外表面熱防護(hù)系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明制備過(guò)程中，將硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物前驅(qū)體涂覆在待增密的表面，除形成一層表面致密層外，硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物前驅(qū)體能夠滲入到碳纖維隔熱瓦基體的高溫面孔隙中，使得碳纖維剛性隔熱瓦基體的高溫面孔隙中還復(fù)合了硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物，具有增加碳纖維剛性隔熱瓦基體耐高溫性的重要作用。

3、本發(fā)明制得的酚醛氣凝膠均勻分散在碳纖維剛性隔熱瓦的孔隙中，氣凝膠的納米結(jié)構(gòu)大幅降低了該熱防護(hù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)，熱導(dǎo)率低，此外，酚醛樹(shù)脂氣凝膠在高溫和熱流作用下受熱分解為co、co2、c5、c6、c8等小分子氣體，氣體揮發(fā)時(shí)可同時(shí)帶走大量的入射熱流，因此隔熱效果好。

4、本發(fā)明制得的碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料，表面為硼酚醛樹(shù)脂表面致密層，其抗氣流沖刷性能優(yōu)于美國(guó)pica等同類(lèi)材料，且硼酚醛樹(shù)脂殘?zhí)悸矢?，高溫?zé)g形成致密層，使得碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料的燒蝕速度下降，此外硼酚醛樹(shù)脂表面致密層中含有高發(fā)射率填料，而高發(fā)射率填料在高溫有氧條件下氧化燒蝕并在表面發(fā)生陶瓷化，從而在材料表面形成一層高發(fā)射率涂層，具有大幅度強(qiáng)化輻射傳熱從而能夠有效抑制飛行器表面溫度的升高。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明制備方法的工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明在第一方面提供了一種碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料，所述碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料包括碳纖維剛性隔熱瓦基體、酚醛氣凝膠和硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物；所述酚醛氣凝膠復(fù)合在所述碳纖維剛性隔熱瓦基體的低溫面和內(nèi)部；所述硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物復(fù)合在所述碳纖維剛性隔熱瓦基體的高溫面。

在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述碳纖維剛性隔熱瓦基體由短切碳纖維和酚醛樹(shù)脂組成，和/或短切碳纖維與酚醛樹(shù)脂質(zhì)量比為(100～120)：(10～15)。

在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述碳纖維剛性隔熱瓦基體的密度為0.10～0.40g/cm³，優(yōu)選為0.10～0.20g/cm³，更優(yōu)選為0.13～0.17g/cm³。

在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料的密度為0.20～0.80g/cm³，優(yōu)選為0.20～0.40g/cm³，更優(yōu)選為0.20～0.25g/cm³。

本發(fā)明在第二方面提供的碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料的制備方法的工藝流程圖如圖1所示，具體地，所述方法包括如下步驟：

(1)碳纖維剛性隔熱瓦基體的制備：

將短切碳纖維、酚醛樹(shù)脂預(yù)聚物和丙酮混合并攪拌均勻，過(guò)濾，將濾餅置于模具中成型得到坯體，將所述坯體依次經(jīng)梯度升溫烘干固化、高溫裂解和熱處理，制得碳纖維剛性隔熱瓦基體。具體地，將直徑為14～16微米(例如14、15或16微米)，長(zhǎng)度為1～2毫米(例如1、1.5或2毫米)的短切碳纖維、酚醛樹(shù)脂預(yù)聚物和丙酮按照(100～120)：(10～15)：(20000～25000)(例如100:10:20000、100:10:22000、100:10:25000、100:12:20000、100:12:22000、100:12:25000、100:15:20000、100:15:22000、100:15:25000、120:10:20000、120:10:22000、120:10:25000、120:12:20000、120:12:22000、120:12:25000、120:15:20000、120:15:22000或120:15:25000)的質(zhì)量比混合，并在攪拌桶中攪拌1～2小時(shí)(例如1、1.5或2小時(shí))使之分散均勻，過(guò)濾，將濾餅置于模具中成型得到坯體，將坯體置于烘干固化機(jī)中梯度升溫烘干固化；然后將烘干固化后的坯體置于氬氣保護(hù)氣氛爐中升溫至800℃～1000℃(例如800℃、850℃、900℃、950℃或1000℃)高溫裂解2～3小時(shí)(例如2、2.5或3小時(shí))，其中酚醛樹(shù)脂高溫裂解產(chǎn)生的無(wú)定形作為碳纖維間的粘接劑；繼而將氬氣保護(hù)氣氛爐中溫度升至1700℃～1900℃(例如1700℃、1750℃、1800℃、1850℃或1900℃)高溫?zé)崽幚?0～60分鐘(30、35、40、45、50、55或60分鐘)。所述梯度升溫烘干固化的程序?yàn)椋合壬郎刂?20℃～130℃(例如120℃、125℃或130℃)保溫2～2.5小時(shí)(例如2、2.1、2.2、2.3、2.4或2.5小時(shí))，然后升溫至140℃～150℃(例如140℃、145℃或150℃)保溫2～2.5小時(shí)(例如2、2.1、2.2、2.3、2.4或2.5小時(shí))，再升溫至160℃～170℃(例如160℃、165℃或170℃)保溫2～2.5小時(shí)(例如2、2.1、2.2、2.3、2.4或2.5小時(shí))，最后升溫至180℃～190℃(例如180℃、185℃或190℃)保溫2～2.5小時(shí)(例如2、2.1、2.2、2.3、2.4或2.5小時(shí))。

(2)硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物前驅(qū)體的制備：將硼酚醛樹(shù)脂預(yù)聚物、高發(fā)射率填料和分散劑混合均勻，得到硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物前驅(qū)體。所述分散劑優(yōu)選為乙醇；所述高發(fā)射率填料選自由玻璃粉、四硼化硅、六硼化硅、碳化硼、碳化鋯、碳化硅、碳化鉿、二硅化鉬和二硅化鉭組成的組；優(yōu)選的是，所述高發(fā)射率填料選自由硼硅玻璃粉、碳化硼、四硼化硅、六硼化硅和二硅化鉬組成的組；更優(yōu)選的是，所述高發(fā)射率填料由硼硅玻璃粉、碳化硼、四硼化硅或六硼化硅和二硅化鉬組成，和/或各組分的質(zhì)量比為(5～8)：(1～2)：(1～2)：(2～4)；和/或所述硼酚醛樹(shù)脂預(yù)聚物、高發(fā)射率填料和乙醇的質(zhì)量比為(100～120)：(9～16)：(200～300)。具體地，將硼酚醛樹(shù)脂預(yù)聚物100～120g(例如100、110或120g)、硼硅玻璃粉5～8g(5、6、7或8g)、碳化硼1～2g(1、1.2、1.5、1.8或2g)、四硼化硅1～2g(1、1.2、1.5、1.8或2g)、二硅化鉬2～4g(2、2.5、3、3.5或4g)和乙醇200～300g(200、220、250、280或300g)混合均勻得到硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物前驅(qū)體。

(3)將步驟(2)制得的硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物前驅(qū)體涂覆在步驟(1)制得的碳纖維剛性隔熱瓦基體的高溫面，經(jīng)梯度升溫烘干固化，制得高溫面復(fù)合硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物的碳纖維剛性隔熱瓦基體。具體地，將混合均勻的硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物前驅(qū)體刷涂或噴涂至碳纖維剛性隔熱瓦基體高溫面(即與大氣層接觸的一面)，使硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物前驅(qū)體滲入到碳纖維隔熱瓦基體的孔隙中，并經(jīng)梯度升溫烘干固化，制得高溫面復(fù)合硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物的碳纖維剛性隔熱瓦基體。所述梯度升溫烘干固化的程序可以與步驟(1)的程序相同或者不相同，設(shè)置為：先升溫至120℃～130℃(例如120℃、125℃或130℃)保溫2～2.5小時(shí)(例如2、2.1、2.2、2.3、2.4或2.5小時(shí))，然后升溫至140℃～150℃(例如140℃、145℃或150℃)保溫2～2.5小時(shí)(例如2、2.1、2.2、2.3、2.4或2.5小時(shí))，再升溫至160℃～170℃(例如160℃、165℃或170℃)保溫2～2.5小時(shí)(例如2、2.1、2.2、2.3、2.4或2.5小時(shí))，最后升溫至180℃～190℃(例如180℃、185℃或190℃)保溫2～2.5小時(shí)(例如2、2.1、2.2、2.3、2.4或2.5小時(shí))。

(4)酚醛氣凝膠前驅(qū)體的制備：以酚類(lèi)物質(zhì)和醛類(lèi)物質(zhì)水溶液為原料、弱堿性試劑為催化劑以及水為分散劑，制得酚醛氣凝膠前驅(qū)體。所述酚類(lèi)物質(zhì)、醛類(lèi)物質(zhì)水溶液、堿性試劑和分散劑的質(zhì)量比為(55～60)：(90～100)：(1～2)：(850～950)；所述醛類(lèi)物質(zhì)水溶液的濃度為37～40wt％；所述弱堿性試劑為碳酸鈉；所述酚類(lèi)物質(zhì)選自由苯酚、間苯二酚、間苯三酚、甲酚、二甲酚、混甲酚和壬基酚組成的組；和/或所述醛類(lèi)物質(zhì)選自由甲醛、多聚甲醛、糠醛和乙醛組成的組。具體地，將55～60g(例如55、56、57、58、59或60g)間苯二酚、1～2g(例如1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或2g)碳酸鈉催化劑和850～950g(例如850、860、870、880、890、900、910、920、930、940或950g)水加入燒杯中，攪拌均勻；加入濃度為37～40wt％(例如37wt％、38wt％、39wt％或40wt％)的甲醛水溶液90～100g(例如90、95或100g)進(jìn)行反應(yīng)制得酚醛氣凝膠前驅(qū)體。

(5)將步驟(4)制得的酚醛氣凝膠前驅(qū)體浸漬步驟(3)制得的高溫面復(fù)合硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物的碳纖維剛性隔熱瓦基體，然后靜置使酚醛氣凝膠前驅(qū)體交聯(lián)并膠凝，再依次經(jīng)過(guò)老化、溶劑置換和干燥，制得碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料。所述浸漬采用真空浸漬；所述靜置的時(shí)間為18～30小時(shí)；所述老化的溫度為70℃～90℃，老化的時(shí)間為60～80小時(shí)；所述溶劑置換在醇溶劑中進(jìn)行，優(yōu)選為在乙醇溶劑中進(jìn)行；所述干燥優(yōu)選為超臨界干燥，更優(yōu)選為超臨界二氧化碳干燥。具體地，將制得的酚醛氣凝膠前驅(qū)體采用真空浸漬法注入一個(gè)裝載著高溫面復(fù)合硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物的碳纖維剛性隔熱瓦的密閉容器中(所述高溫面復(fù)合硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物的碳纖維剛性隔熱瓦的低溫面朝上放置)，靜置18～30小時(shí)(例如18、20、24、28或30小時(shí))，使酚醛氣凝膠前驅(qū)體交聯(lián)并膠凝，然后將該密閉容器在70℃～90℃(例如70℃、75℃、80℃、85℃或90℃)烘箱中老化60～80小時(shí)(60、65、68、72、75、78或80小時(shí))，使得凝膠骨架得到增強(qiáng)，然后從容器中取出復(fù)合了酚醛濕凝膠的高溫面復(fù)合硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物的碳纖維剛性隔熱瓦，并浸泡在無(wú)水乙醇中，使得濕凝膠孔隙中的水通過(guò)擴(kuò)散作用被置換為乙醇，每24小時(shí)換一次乙醇，置換三次，最后通過(guò)超臨界二氧化碳干燥去除濕凝膠中的乙醇，得到碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料。

本發(fā)明在第三方面提供了本發(fā)明在第一方面提供的碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料或者由本發(fā)明在第二方面提供的制備方法制備的碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料在飛行器外表面的熱防護(hù)材料中的應(yīng)用：該材料可作為火星、月球等外太空探測(cè)飛行器的外表面燒蝕熱防護(hù)材料使用。

實(shí)施例1

首先將直徑為15微米，長(zhǎng)度為1.5毫米的短切碳纖維100g、酚醛樹(shù)脂預(yù)聚物10g和丙酮20kg加入攪拌桶中，攪拌1～2h使之均勻分散，過(guò)濾，將濾餅置于模具中成型得到坯體，將坯體置于烘干固化機(jī)中，在120℃下保溫2小時(shí)、140℃下保溫2小時(shí)、160℃下保溫2小時(shí)、180℃下保溫2小時(shí)完成梯度升溫烘干固化，然后在氬氣保護(hù)氣氛爐中升溫至900℃裂解2小時(shí)，在氬氣保護(hù)氣氛爐中升溫至1800℃后熱處理30分鐘，得到碳纖維剛性隔熱瓦。然后，取硼酚醛樹(shù)脂預(yù)聚物100g，硼硅玻璃粉5g、碳化硼1g、四硼化硅1g、二硅化鉬2g和乙醇200g混合均勻，得到硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物前驅(qū)體，將硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物前驅(qū)體刷涂到碳纖維剛性隔熱瓦基體待增密的表面，并使硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物前驅(qū)體滲入到碳纖維隔熱瓦基體的孔隙中，而后置于烘干固化機(jī)中，在120℃下保溫2小時(shí)、140℃下保溫2小時(shí)、160℃下保溫2小時(shí)、180℃下保溫2小時(shí)完成梯度升溫烘干固化，得到高溫面復(fù)合硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物的碳纖維剛性隔熱瓦基體。最后，將55g間苯二酚、1g碳酸鈉催化劑和890g去離子水加入燒杯中，攪拌均勻，加入90g濃度為37％質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甲醛水溶液進(jìn)行反應(yīng)，得到酚醛氣凝膠前驅(qū)體，用制得的酚醛氣凝膠前軀體使用真空浸漬法注入一個(gè)裝載著的高溫面復(fù)合硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物的碳纖維剛性隔熱瓦基體的密閉容器中(高溫面復(fù)合硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物的碳纖維剛性隔熱瓦基體的低溫面朝上放置)，然后靜置24小時(shí)，使之交聯(lián)并膠凝，而后將該密閉容器在80℃烘箱中老化72小時(shí)，使得凝膠骨架得到增強(qiáng)，再?gòu)娜萜髦腥〕鰪?fù)合了高溫面復(fù)合硼酚醛樹(shù)脂致密層組合物的碳纖維剛性隔熱瓦，并浸泡在無(wú)水乙醇中，使得濕凝膠孔隙中的水通過(guò)擴(kuò)散作用被置換為乙醇，每24小時(shí)換一次乙醇，置換三次，通過(guò)超臨界干燥過(guò)程去除濕凝膠中的乙醇，得到碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料。

對(duì)碳纖維剛性隔熱瓦基體以及碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)，得到的結(jié)果為：

碳纖維剛性隔熱瓦基體的密度ρ1為0.13g/cm³，熱導(dǎo)率λ1為0.1w/m·k。

碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料的密度ρ2為0.20g/cm³，熱導(dǎo)率λ2為0.07w/m·k，發(fā)射率為0.9，硼酚醛樹(shù)脂致密層的涂層結(jié)合強(qiáng)度為2.0mpa；在4.5mw/m²的氧/乙炔火焰燒蝕試驗(yàn)中，碳基輕質(zhì)熱防護(hù)材料的線(xiàn)燒蝕率為0.018mm/s，質(zhì)量燒蝕速率為0.03g/s。

實(shí)施例2-10采用與實(shí)施例1基本相同的方式進(jìn)行，不同之處如下表1所示。

表1：實(shí)施:2-10的原料配方及材料指標(biāo)。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。