硅酸铝纤维/二氧化硅空心微球复合材料的制备及性能研究

admin · 发表于 2022-9-18 15:12:52

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航天飞行器在发射和返回大气层过程中，表面会经受严重的气动热，为了确保飞行器的安全可靠，必须在飞行器上敷设耐高温的隔热材料。在要求隔热材料具有低热导率的同时，还必须使其具有低密度和高强度，因此，开发轻质、耐热、高强、高效隔热材料是航天器热防护领域的重要研究方向。本研究以微纳米二氧化硅空心微球为基体，添加硅酸铝纤维作增强相，制备了具有高气孔率、低体积密度、低导热系数的硅酸铝纤维/二氧化硅空心微球复合材料，以期应用于航天器热防护组件的设计及制造。使用分散聚合合成阳离子型聚苯乙烯（PS）微球；以此为模板，正硅酸乙酯为前躯体，制备了二氧化硅空心微球；抽滤成型制备了硅酸铝纤维/二氧化硅空心微球复合材料。采用扫描电镜、透射电镜、瞬态热线法等测试手段评价了材料的显微结构、物理性能及热性能等。研究了单体苯乙烯（St）、引发剂偶氮二异丁腈（AIBN）、稳定剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的浓度、分散介质（乙醇/水）中水的含量对PS微球粒径的影响；研究了正硅酸乙酯（TEOS）的浓度、沉积时间、共聚单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（MTC）的浓度对空心微球壁厚的影响。探讨了成型方式、纤维含量、烧结温度及二氧化硅空心微球的粒径对复合材料气孔率、体积密度及导热系数的影响规律。研究表明，通过改变St、AIBN、PVP的浓度及分散介质中水的含量，合成了粒径为0.67~1.75 μm的PS微球。PS微球的粒径随St浓度、AIBN浓度的增加而增大；随PVP浓度及分散介质中水的含量的增加而减小。二氧化硅空心微球的壁厚随TEOS、MTC浓度的增加而增大，当TEOS的浓度从0.4 mM增加到0.8 mM时，空心微球的壁厚由20 nm增大到60 nm。随着硅酸铝纤维含量的增加，复合材料的强度和体积密度逐渐增大，导热系数也随之升高。烧结温度越高，复合材料的强度越高；体积密度越大，导热系数越高；二氧化硅空心微球的粒径越小，复合材料的致密度越高，体积密度越大，导热系数越高。当硅酸铝纤维的添加量为2 wt%，烧结温度为1100 ℃时，复合材料的气孔率高达90.6%、体积密度为0.195 g/cm3、导热系数为0.0539 W/(m•K)。通过控制纤维含量、烧结温度、微球粒径等参数，实现了复合材料体积密度、导热系数及强度的可设计性。该材料很有希望成为一种新型轻质、耐热、高强、高效隔热材料。

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