一種用于隔熱的輕質、柔性氣凝膠復合材料

熱管理博覽會

2024年1月8日 09:36

來源 | ACS Applied Materials & Interface

背景介紹

由于氣凝膠在航空航天工業(yè)、軍事行動和靠近火源等惡劣環(huán)境領域的應用潛力，其高溫熱防護受到了研究人員的廣泛關注。特別是，聚酰亞胺、酚醛、芳綸等有機氣凝膠由于其低密度而非常有利，其中具有高炭產率的酚醛樹脂氣凝膠(PRA)作為一種有能力的燒蝕劑很受歡迎，為了在高機械應力和高熱載荷條件下獲得更好的力學性能，必須用堅韌的纖維對脆弱的氣凝膠進行加固。

由于具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和機械性能，廣泛選擇碳纖維、石英纖維(QF)和莫來石纖維與PRAs結合制成熱防護復合材料。其中，NASA開發(fā)的酚醛浸漬碳燒蝕劑(PICA)是一種典型的輕質熱防護燒蝕復合材料。由于其重量輕、導熱系數低、熱穩(wěn)定性好，它已被用于美國宇航局的火星探測、“星塵號”返航和SpaceX的“龍”太空艙等任務。隨著航空航天工業(yè)的空前快速發(fā)展，PICA的剛性和脆性帶來了失效應變低、縫縫繁瑣、對冷結構適應性低等問題，嚴重制約了剛性PICA的實際應用。因此，迫切需要進一步開發(fā)輕質、柔韌、隔熱的復合材料。

成果掠影

近日，哈爾濱工業(yè)大學張幸紅與洪長青團隊針對開發(fā)輕質、柔韌、隔熱的復合材料取得最新進展。該文報告了一種均勻的化學鍵合策略，用于制造具有良好燒蝕隔熱性能的輕質柔性纖維增強酚醛樹脂氣凝膠FRPRA。酚醛樹脂氣凝膠基質與酚醛纖維增強材料的相容性提高了材料的可壓縮性(循環(huán)應變?yōu)?0%)和可彎曲性(循環(huán)應變?yōu)?0%)以及燒蝕過程中的結構穩(wěn)定性。此外，低堆積密度和導熱系數分別為0.20 g/cm3和0.043 W/mK，使復合材料具有高效的保溫能力。使用8mm厚的襯墊，可以將200℃的溫度降低到70.6℃，通過與Al面板結合，可以將1200℃左右的溫度偽裝到78℃。基于其可彎曲性，該材料還可實現600°C的保形隱身。因此，該復合材料在靜態(tài)和動態(tài)絕熱方面都具有應用潛力。研究成果以“Lightweight, Flexible, and Covalent-Bonding Phenolic Fabric Reinforced Phenolic Ablator for Thermal Insulation and Conformal Infrared Stealth”為題發(fā)表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。

圖文導讀

圖1. (a)制備路線及微結構變化示意圖，(b)輕量化和(c) PRF/SPRA的可彎曲性能。

圖2. 不同放大倍數下PRF/SPRA在(a) z方向和(b?d) X/ y方向的SEM圖像。(e) PRF、SPRA和PRF/SPRA的FTIR光譜，(f) PRF/SPRA在20%、40%和60%應變下的壓應力-應變曲線和能量損失系數，(g) PRF/SPRA在10%、20%和30%應變下的循環(huán)彎曲應力-應變曲線，(h) PRF/SPRA可恢復彎曲過程曲線圖，(i) PRF/SPRA可逆變形機理示意圖。

圖3. (a) PRF/SPRA的熱導率和密度與其他報道的復合材料的比較，(b)背面和正面溫度曲線，(c)厚度為8mm的PRF/SPRA和QF/SPRA不同時間對200℃加熱板的保溫效果，(d)鮮花放置在整齊鋁板上和覆蓋有PRF/SPRA厚度為8mm的鋁板上的熱防護。

圖4. (a)用丁烷火焰加熱鋁板前后的照片，(b)鋁板加熱時的紅外熱像圖，(c)帶有PRF/SPRA燒蝕熱保護的完整鋁板在丁烷火焰下的照片，(d)裸PRF/SPRA和與鋁板結合的PRF/SPRA溫度-時間曲線，(e) PRF/SPRA覆蓋的熱目標(丁烷火焰)與鋁板合并在不同時間的紅外熱圖像，(f)光學紅外圖像，(g)燒蝕后正面照片，(h) PRF/SPRA共形紅外隱身前(M1)、后(M2)溫度曲線。