一种耐高温树脂基一体化复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种耐高温树脂基一体化复合材料及其制备方法。

背景技术

火箭发动机通常采用有机涂层进行壳体外部防热，可有效防止发动机在大气层内飞行过程中，因“气动加热”而产生的热烧蚀，确保发动机正常工作，新一代发动机要求此类涂层具有良好的耐热、隔热、力学、使用寿命长等性能要求时，需要降低涂层密度，进一步降低涂层热导率，提高热膨胀系数。

树脂基复合材料具有现代飞机所需的重要特性，如较高的比强度、比模量、尺寸稳定性，优异的耐腐蚀性能、耐磨性、介电性能、电绝缘性能和综合力学性能以及性能的可设计和成形工艺多样性等，因而在航空工业上获得了广泛的应用。

中国航空制造技术研究院报道了一种高温固化阻燃环氧树脂体系复合材料，该树脂可以在150～180℃完全固化，可以用于具有阻燃要求的复合材料结构件；张利军等报道了一种弹性低密度耐高温隔热涂层，该涂层密度为0.62g/cm

根据相关报道，目前树脂基材料作为涂层其使用温度均不超过500℃，因此如何提高树脂基复合材料的使用温度依旧是目前研究的重点。

发明内容

本发明提供了一种耐高温树脂基一体化复合材料及其制备方法，以解决现有技术中如何提高树脂基复合材料使用温度的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种耐高温树脂基一体化复合材料，包括钢基体，所述钢基体上依次沉积有金属粘接层、RETaO

本技术方案的技术原理和效果在于：

1、本方案中稀土钽酸盐RETaO

2、本方案得到的耐高温树脂层，在高温环境下，碳化硼的加入促进了材料的陶瓷化，与有机物分解产生的碳单质发生还原和吸热反应，带走和降低涂层温度，同时硅环氧树脂和陶瓷化粉末发生一系列的反应，生成陶瓷层，从而阻止聚合物高温裂解的损耗及挥发物的逸出，阻隔外界热量在材料内部传递，起到保护内部材料的作用。

改性树脂胶体中的有机高分子材料在高温下分解，主要是碳链的裂解，同时在高温热氧环境下，改性树脂胶体和无机填料中的陶瓷粉发生一系列的反应，生成陶瓷层，比如碳化硼与有机高分子材料在高温烧蚀后形成了以无定型碳为基体骨架结构，难熔的SiO

3、本方案中有机硅树脂与环氧树脂裂解可产生碳，碳化反应吸收热量并形成多孔碳层，一方面，多孔碳层可以隔热，从而降低钢基体的热传递速率，在高温下的多孔碳层具有很强的红外辐射特性，可以辐射部分热量。另一方面，当温度升至1600℃～1700℃时，SiO

高温下，高分子材料裂解产生的C与SiO

这些反应可吸收6倍于同等质量的高分子材料裂解所吸收的热量；此外，在高温下(1873K-2173K)涂料组分中的金属氧化物也会发生还原和吸热反应，如：

反应产生的小分子气体在逃逸过程中带走热量，并增加边界层厚度，致使热传递速率降低，有机高分子分解产生大量的碳，多余的碳可以耐高温，可以保护基体材料。

进一步，所述添加剂包括催化剂、固化剂和消泡剂。

有益效果：催化剂是为了促使高分子材料产生的C与二氧化硅气凝胶之间发生反应，而固化剂则促使玻璃层在多孔碳层中的快速成型，消泡剂能够减少玻璃层中产生的气泡。

进一步，所述金属粘接层的厚度为30～50μm，RETaO

有益效果：这样的涂层设计能够对钢基体起到良好的保护作用。

进一步，所述无机填料中氧化铝、碳化硼、玻璃粉、RETaO

有益效果：该配比下使得耐高温树脂层能够起到良好的隔热性能。

本发明还公开了一种耐高温树脂基一体化复合材料的制备方法，包括以下步骤：

包括以下步骤：

步骤1：在钢基体表面依次沉积金属粘接层和RETaO

步骤2：将有机硅树脂、环氧树脂和二甲苯混合后在水浴锅中保温搅拌制备树脂粘结剂；向SiO

步骤3：向步骤2得到的改性树脂胶体中加入无机填料和添加剂，在水浴锅中恒温搅拌得到粘稠胶体，将胶体涂覆在RETaO

有益效果：二氧化硅气凝胶的加入可以改善涂层材料密度，得到轻质，抗烧蚀的防护涂层材料，但二氧化硅气凝胶本身为疏水性气凝胶，不溶于水，需利用无水乙醇进行改性为亲水性二氧化硅后才能与加入到树脂中进行反应。

而本方案先将改性后的二氧化硅气凝胶加入到树脂中进行搅拌和分散，这样为了防止与无机填料一起加入到树脂中，会使得气凝胶会团聚长大，导致涂料颗粒变大，涂层粗糙，降低了涂层表面的光洁度的问题产生。

进一步，所述步骤2中有机硅树脂、环氧树脂和二甲苯的质量比为9～10∶1～2∶0.1～0.2；SiO

有益效果：该配比下二氧化硅气凝胶能够充分的在树脂粘接剂中分散均匀。

进一步，所述步骤3中无机填料与改性树脂胶体的质量比为1～2∶3～4；催化剂的占比为1～2％，固化剂的占比为1～2％，消泡剂的占比为1～5‰。

有益效果：该配比下得到的耐高温树脂涂层的隔热性能良好。

进一步，所述步骤2中水浴锅的温度为90～93℃，烘箱的温度为40～50℃，干燥时间为300～480min。

有益效果：这样设置让树脂粘接剂能够快速形成。

进一步，所述步骤3中在烘箱中先在30～40℃低温烘干72～100h，再升温至180～220℃高温干燥100～200h。

有益效果：通过这样设计使得耐高温树脂涂层中各原料能够扩散均匀，并充分固化，以提高其在高温下的反应性能。

进一步，所述步骤2中改性的SiO

有益效果：这样使得二氧化硅气凝胶能够均匀的分散在树脂粘接剂中，使其能够更好的与无机填料中的各种陶瓷粉发生反应。

附图说明

图1为本发明实施例1得到的复合材料热导率随温度变化的曲线图；

图2为本发明实施例1得到的复合材料在热考核时，正面温度与背面温度随时间变化的曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例1：

一种耐高温树脂基一体化复合材料，包括45钢基体，在钢基体上依次沉积有NiCrAlY金属粘接层、YTaO

耐高温树脂涂层的原料包括无机填料、改性树脂胶体和添加剂，无机填料包括二氧化硅气凝胶、氧化铝、碳化硼、玻璃粉、YTaO

上述复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：利用喷砂除锈设备将45钢进行表面粗造化处理，用无水乙醇除去污渍，利用超音速火焰喷涂一层金属粘结层NiCrAlY，再利用大气等离子喷涂技术喷涂一层YTaO

步骤2：称取有机硅树脂182g、环氧树脂22g、二甲苯0.5ml混合后在水浴锅中保温搅拌，得到树脂粘接剂，其中保温的温度为93℃，搅拌转速为600r/min。

再称取102g SiO

将改性SiO

步骤3：称取氧化铝52g、碳化硼51g、玻璃粉53g、YTaO

称取步骤2制得的改性树脂胶体102g、无机填料325g、催化剂(二月桂酸)2ml、固化剂(二乙烯三胺)2ml和消泡剂(正辛醇)0.5ml，在温度为93℃的水浴锅中恒温搅拌30min，得到粘稠胶体，将粘稠胶体涂覆在步骤1的YTaO

实施例1制备的耐高温树脂层的密度为0.83g/cm

实施例2：

与实施例1的区别在于，实施例2中，金属粘接层的厚度为40μm，GdTaO

步骤2中，称取有机硅树脂196g、环氧树脂28g与二甲苯0.8ml混合后在水浴锅中保温搅拌，温度为90℃，转速为500r/min；

称取113g SiO

将改性SiO

步骤3：称取氧化铝58g、碳化硼52g、玻璃粉49g、GdTaO

称取步骤2制备的改性树脂胶体108g，无机填料333g、催化剂二月桂酸1.5ml、固化剂二乙烯三胺2.8ml和消泡剂正辛醇1ml，在水浴锅中恒温搅拌60min(90℃)得到粘稠胶体，将粘稠胶体涂覆在步骤1的GdTaO

实施例2制备的耐高温树脂层的密度为0.79g/cm

对比例1：

与实施例1的区别在于，对比例1中，二氧化硅气凝胶未进行改性，也未与树脂粘接剂进行混合，而是直接与无机填料加入到树脂粘接剂中，这样形成的涂层，表面粗糙度高，且涂层易脱落。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体材料及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。