輕質(zhì)磷酸鹽復(fù)合材料的制備與性能研究

曹先啟，王 超，2*，陳澤明，2，李博弘，韓 爽，王赫銘，關(guān)悅瑜

（1.黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院，黑龍江哈爾濱150040；2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，黑龍江哈爾濱150020；3.南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210094）

輕質(zhì)磷酸鹽復(fù)合材料的制備與性能研究

曹先啟1，王 超1，2*，陳澤明1，2，李博弘1，韓 爽1，王赫銘3，關(guān)悅瑜1

（1.黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院，黑龍江哈爾濱150040；2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，黑龍江哈爾濱150020；3.南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210094）

以磷酸鹽料漿、空心微珠與空心石英纖維為主要原材料，采用鋪層法制備了一種承載/隔熱一體的復(fù)合材料。并采用熱重法（TG）測(cè)試了磷酸鹽基漿料和石英纖維1000℃失重；用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了磷酸鹽與空心玻璃微珠、空心石英纖維界面結(jié)合情況及其復(fù)合材料的微觀形貌；用拉力機(jī)測(cè)試了復(fù)合材料的常溫及高溫彎曲強(qiáng)度；用阿基米德法測(cè)試了復(fù)合材料的密度。結(jié)果表明：磷酸鹽料漿和空心石英纖維均具有優(yōu)異的耐熱性能，磷酸鹽與空心玻璃微珠及空心石英纖維界面結(jié)合強(qiáng)度高，所制備的復(fù)合材料高溫處理后仍能保持較高的機(jī)械強(qiáng)度。

磷酸鹽；料漿;多孔;彎曲強(qiáng)度

前言

隨著航空、航天技術(shù)的快速發(fā)展，各類飛行器尤其是高速穿越大氣層的巡航導(dǎo)彈、超音速飛機(jī)、航天飛機(jī)、飛船返回艙等，其外部材料均要經(jīng)受更高的溫度及熱沖擊，因此，為了保證飛行器艙內(nèi)儀器設(shè)備的正常運(yùn)行，其外部結(jié)構(gòu)除具有較高強(qiáng)度外，還需具備耐熱、隔熱等功能[1～4]。但目前，材料承力與熱防護(hù)件設(shè)計(jì)大多是將結(jié)構(gòu)承載體與防熱體分步制備，然后再行連接，因此，增加了制造成本，且工藝難度增加，一體性差，可靠性降低[5～8]。

本文以耐熱磷酸鹽膠黏劑為基體，以空心石英纖維為增強(qiáng)體，空心玻璃微珠及少量發(fā)泡膠為填料，制備了一種低成本、輕質(zhì)、承載及隔熱一體的復(fù)合材料。并利用TG，SEM，萬(wàn)能拉力機(jī)對(duì)絕熱層材料耐熱性能，微觀形貌及力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試與觀察。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 復(fù)合材料的制備

以一定濃度磷酸、氧化鋯、氧化鎂等為主要原材料，添加適當(dāng)?shù)拇倌齽?、緩蝕劑、成膜劑、流平劑等，按照工藝加入反應(yīng)釜中混合，加熱至105℃回流6h得到磷酸鹽樹脂。磷酸鹽樹脂與固化劑以1∶1的質(zhì)量比混合，在球磨機(jī)中濕磨1h，制備成磷酸鹽膠黏劑基體，然后，將空心微珠、發(fā)泡劑、分散劑、減水劑等按比例添加到磷酸鹽基體中，攪拌均勻，制備成磷酸鹽料漿。

將空心石英纖維布在自制的纖維處理劑中處理3min，用壓漿輥處理2次，取出烘干。

按照工藝設(shè)計(jì)層數(shù)鋪層，然后在硫化機(jī)上熱壓，壓強(qiáng)為0.1MPa，以0.5℃/min速率升溫固化，150℃保溫3h。

1.2 性能測(cè)試

1.2.1 磷酸鹽基體結(jié)構(gòu)分析

采用XD-2型X-射線衍射儀(XRD)對(duì)常溫及經(jīng)高溫處理的磷酸鹽基體進(jìn)行測(cè)試，分析磷酸鹽基體高溫處理后結(jié)構(gòu)變化。

1.2.2 磷酸鹽基體耐熱性能分析

采用DuPont1090B型TGA熱分析儀對(duì)制備的基體膠進(jìn)行TG測(cè)試，升溫速度為10℃/min；空氣氣氛。

1.2.3 磷酸鹽基體及復(fù)合材料微觀形貌

將磷酸鹽基體及復(fù)合材料試樣進(jìn)行噴金處理，用MX-2600FE型掃描電鏡觀察磷酸鹽基體及復(fù)合材料高溫處理前后微觀形貌變化。

1.2.4 力學(xué)性能測(cè)試

復(fù)合材料的彎曲實(shí)驗(yàn)按GB1449-83《玻璃纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 磷酸鹽基體物相組成

圖1為磷酸鹽基體固化后，室溫、1000℃及1200℃處理后X-衍射圖譜。經(jīng)標(biāo)定認(rèn)為磷酸鹽基體物相主要為AlPO4、Al2O3及微量的ZrO2組成，由于功能填料含量較少，其衍射峰強(qiáng)度相對(duì)較低而被掩蓋未能標(biāo)出。對(duì)比各溫度處理的磷酸鹽基體衍射譜圖，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)高溫處理后磷酸鹽基體無(wú)新的衍射峰出現(xiàn)，說(shuō)明高溫處理后磷酸鹽基體無(wú)其他物相生成，磷酸鹽基體具有較好的耐高溫穩(wěn)定性。隨著處理溫度的升高，AlPO4衍射峰強(qiáng)度逐漸增加，溫度升高加劇了氧化鋁與磷酸鹽的反應(yīng)程度。

圖1 磷酸鹽基體X-衍射圖譜Fig.1The XRD patterns of phosphate matrix

2.2 空心微珠與磷酸鹽基體的界面粘接情況

圖2為空心微珠與磷酸鹽基體界面結(jié)合情況的微觀形貌照片。其中，圖2（a）為固化后常溫微觀形貌照片，圖2（b）為固化后1200℃處理30min的微觀形貌照片。

由圖2（a）可以看出固化后的耐熱基體是由磷酸鹽基體、空心微珠和氣孔三種結(jié)構(gòu)組成。其中，由空心微珠斷口形貌可以看出，斷口整齊，無(wú)任何參差狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，說(shuō)明磷酸鹽基體與空心微珠潤(rùn)濕性能優(yōu)異，粘接強(qiáng)度高，且磷酸鹽基體強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空心微珠的強(qiáng)度。

由圖2（b）可以看出，經(jīng)過(guò)1200℃處理后，磷酸鹽基體無(wú)明顯變化，說(shuō)明磷酸鹽基體耐高溫性能優(yōu)異，起到骨架作用，而空心微珠出現(xiàn)明顯的軟化、塌陷，說(shuō)明空心微珠耐熱等級(jí)小于1200℃。

圖2 空心微珠與磷酸鹽基體界面情況：a,常溫;b,1200℃（30min）Fig.2 The interface of hollow beads and phosphate matrix a,RT;b,1200℃（30min）

2.4 磷酸鹽基體與石英纖維界面粘接情況

圖3為磷酸鹽基體與空心石英纖維界面微觀形貌。由圖3可看出，磷酸鹽基體可以浸漬進(jìn)石英纖維束內(nèi)，在單根石英纖維之間有大量磷酸鹽基體存在，單根石英纖維被磷酸鹽基體粘接成整體，防止纖維束在受力過(guò)程中滑移，從而起到增強(qiáng)、增韌效果。由圖3圈出區(qū)域可以看出，石英纖維表面有明顯的“刮痕”，分析認(rèn)為，可能為磷酸鹽基體與石英纖維界面粘接強(qiáng)度高，在制樣過(guò)程中石英纖維被撕裂所致。

Preparation of Lightweight Phosphate Composites and Study on Its Performance

CAO Xian-qi1,WANG Chao1,2,CHEN Ze-ming1,2,LI Bo-hong1,HAN Shuang1,WANG He-ming3and GUAN Yue-yu1

（1.Institute of Petrochemistry,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150040 China;2.Institute of Advanced Technology,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150020,China;3.Institute of Material Science and Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094, China）

A kind of load bearing/thermal isolation multi-layer integral composites was manufactured by layer spread method with phosphate slurry,hollow beads and hollow quartz fiber as raw materials.The weight loss at 1000℃of phosphate slurry and quartz fiber was tested by TG.The interface of phosphate and hollow beads,hollow quartz fiber was observed by scanning electron microscope(SEM)as well as the morphology.The density of the composite was tested by Archimedes method.The room and high temperature bending strength of the composites was measured by tensile machine.The results showed that the heat resistances of phosphate slurry and hollow quartz fiber were excellent;the interface bonding strength of phosphate,hollow beads and hollow quartz fiber was high;and the manufactured composite material could still keep high mechanical strength after high temperature treatment.

Phosphate;slurry;porous;bending strength

TQ322.3

A

1001-0017（2016）04-0260-03

2016-04-10

曹先啟（1983-），男，山東菏澤人，碩士，助理研究員,主要從事無(wú)機(jī)磷酸鹽耐高溫膠黏劑及其功能材料的研究。

*通訊聯(lián)系人：王超（1968-），博士，研究員。E-mail:wangchao711@163.com。