高强度碳气凝胶复合材料的制备及结构、性能研究

作     者：沈泽慧 曹宇 郝晶莹 张琪凯 牛波 张亚运 龙东辉 SHEN Zehui;CAO Yu;HAO Jingying;ZHANG Qikai;NIU Bo;ZHANG Yayun;LONG Donghui

作者机构：华东理工大学化工学院上海200237 北京新风航天装备有限公司北京100854 

出 版 物：《复合材料科学与工程》 (Composites Science and Engineering)

年 卷 期：2024年第6期

页      面：5-14页

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

基　　金：国家自然科学基金(22078100,52102098) 中国博士后科学基金(2022M711140) 

主　　题：碳气凝胶 复合材料 力学性能 隔热性能 格子玻尔兹曼方法 

摘      要：针对热防护系统的热桥阻断需求,以碳/石英纤维混编针刺预制体为增强体,酚醛树脂为碳前驱体,通过溶胶-凝胶、常压干燥和高温碳化工艺,制备出一种中密度-高强度碳气凝胶复合材料,系统研究了材料的微观结构、力学性能和隔热性能。结果表明:所制复合材料在中密度(约为0.80 g·cm^(-3))下具有较强的力学性能(5%压缩应变时压缩应力约为10 MPa)和优异的隔热性能(室温热导率0.230 W·m^(-1)·K^(-1))。随着预制体中石英纤维质量分数从0%增加至20%,复合材料在1 000℃下等效热导率从0.224 W·m^(-1)·K^(-1)下降至0.158 W·m^(-1)·K^(-1),具备了高温热桥阻断应用潜力。进一步采用格子玻尔兹曼方法对材料室温至1 600℃下的热导率进行预测,发现了材料结构和环境因素对热导率的影响趋势,即碳气凝胶基体孔隙率的上升会导致热量传递的阻碍增大,从而导致复合材料热导率下降;预制体密度的增大导致热量传递的通道增加,使复合材料热导率增大;石英纤维含量的增加会导致复合材料热导率逐渐下降;当气压较小时,热导率随气压的增大迅速增大,而当气压较大时,热导率几乎不受影响。