轻质磷酸盐复合材料的制备与性能研究

曹先启，王 超，2*，陈泽明，2，李博弘，韩 爽，王赫铭，关悦瑜

（1.黑龙江省科学院石油化学研究院，黑龙江哈尔滨150040；2.黑龙江省科学院高技术研究院，黑龙江哈尔滨150020；3.南京理工大学材料科学与工程学院，江苏南京210094）

轻质磷酸盐复合材料的制备与性能研究

曹先启1，王 超1，2*，陈泽明1，2，李博弘1，韩 爽1，王赫铭3，关悦瑜1

（1.黑龙江省科学院石油化学研究院，黑龙江哈尔滨150040；2.黑龙江省科学院高技术研究院，黑龙江哈尔滨150020；3.南京理工大学材料科学与工程学院，江苏南京210094）

以磷酸盐料浆、空心微珠与空心石英纤维为主要原材料，采用铺层法制备了一种承载/隔热一体的复合材料。并采用热重法（TG）测试了磷酸盐基浆料和石英纤维1000℃失重；用扫描电子显微镜（SEM）观察了磷酸盐与空心玻璃微珠、空心石英纤维界面结合情况及其复合材料的微观形貌；用拉力机测试了复合材料的常温及高温弯曲强度；用阿基米德法测试了复合材料的密度。结果表明：磷酸盐料浆和空心石英纤维均具有优异的耐热性能，磷酸盐与空心玻璃微珠及空心石英纤维界面结合强度高，所制备的复合材料高温处理后仍能保持较高的机械强度。

磷酸盐；料浆;多孔;弯曲强度

前言

随着航空、航天技术的快速发展，各类飞行器尤其是高速穿越大气层的巡航导弹、超音速飞机、航天飞机、飞船返回舱等，其外部材料均要经受更高的温度及热冲击，因此，为了保证飞行器舱内仪器设备的正常运行，其外部结构除具有较高强度外，还需具备耐热、隔热等功能[1～4]。但目前，材料承力与热防护件设计大多是将结构承载体与防热体分步制备，然后再行连接，因此，增加了制造成本，且工艺难度增加，一体性差，可靠性降低[5～8]。

本文以耐热磷酸盐胶黏剂为基体，以空心石英纤维为增强体，空心玻璃微珠及少量发泡胶为填料，制备了一种低成本、轻质、承载及隔热一体的复合材料。并利用TG，SEM，万能拉力机对绝热层材料耐热性能，微观形貌及力学性能进行了测试与观察。

1 实验材料及方法

1.1 复合材料的制备

以一定浓度磷酸、氧化锆、氧化镁等为主要原材料，添加适当的促凝剂、缓蚀剂、成膜剂、流平剂等，按照工艺加入反应釜中混合，加热至105℃回流6h得到磷酸盐树脂。磷酸盐树脂与固化剂以1∶1的质量比混合，在球磨机中湿磨1h，制备成磷酸盐胶黏剂基体，然后，将空心微珠、发泡剂、分散剂、减水剂等按比例添加到磷酸盐基体中，搅拌均匀，制备成磷酸盐料浆。

将空心石英纤维布在自制的纤维处理剂中处理3min，用压浆辊处理2次，取出烘干。

按照工艺设计层数铺层，然后在硫化机上热压，压强为0.1MPa，以0.5℃/min速率升温固化，150℃保温3h。

1.2 性能测试

1.2.1 磷酸盐基体结构分析

采用XD-2型X-射线衍射仪(XRD)对常温及经高温处理的磷酸盐基体进行测试，分析磷酸盐基体高温处理后结构变化。

1.2.2 磷酸盐基体耐热性能分析

采用DuPont1090B型TGA热分析仪对制备的基体胶进行TG测试，升温速度为10℃/min；空气气氛。

1.2.3 磷酸盐基体及复合材料微观形貌

将磷酸盐基体及复合材料试样进行喷金处理，用MX-2600FE型扫描电镜观察磷酸盐基体及复合材料高温处理前后微观形貌变化。

1.2.4 力学性能测试

复合材料的弯曲实验按GB1449-83《玻璃纤维增强塑料弯曲性能试验方法》进行测试。

2 实验结果与讨论

2.1 磷酸盐基体物相组成

图1为磷酸盐基体固化后，室温、1000℃及1200℃处理后X-衍射图谱。经标定认为磷酸盐基体物相主要为AlPO4、Al2O3及微量的ZrO2组成，由于功能填料含量较少，其衍射峰强度相对较低而被掩盖未能标出。对比各温度处理的磷酸盐基体衍射谱图，可以发现经过高温处理后磷酸盐基体无新的衍射峰出现，说明高温处理后磷酸盐基体无其他物相生成，磷酸盐基体具有较好的耐高温稳定性。随着处理温度的升高，AlPO4衍射峰强度逐渐增加，温度升高加剧了氧化铝与磷酸盐的反应程度。

图1 磷酸盐基体X-衍射图谱Fig.1The XRD patterns of phosphate matrix

2.2 空心微珠与磷酸盐基体的界面粘接情况

图2为空心微珠与磷酸盐基体界面结合情况的微观形貌照片。其中，图2（a）为固化后常温微观形貌照片，图2（b）为固化后1200℃处理30min的微观形貌照片。

由图2（a）可以看出固化后的耐热基体是由磷酸盐基体、空心微珠和气孔三种结构组成。其中，由空心微珠断口形貌可以看出，断口整齐，无任何参差状结构出现，说明磷酸盐基体与空心微珠润湿性能优异，粘接强度高，且磷酸盐基体强度远远大于空心微珠的强度。

由图2（b）可以看出，经过1200℃处理后，磷酸盐基体无明显变化，说明磷酸盐基体耐高温性能优异，起到骨架作用，而空心微珠出现明显的软化、塌陷，说明空心微珠耐热等级小于1200℃。

图2 空心微珠与磷酸盐基体界面情况：a,常温;b,1200℃（30min）Fig.2 The interface of hollow beads and phosphate matrix a,RT;b,1200℃（30min）

2.4 磷酸盐基体与石英纤维界面粘接情况

图3为磷酸盐基体与空心石英纤维界面微观形貌。由图3可看出，磷酸盐基体可以浸渍进石英纤维束内，在单根石英纤维之间有大量磷酸盐基体存在，单根石英纤维被磷酸盐基体粘接成整体，防止纤维束在受力过程中滑移，从而起到增强、增韧效果。由图3圈出区域可以看出，石英纤维表面有明显的“刮痕”，分析认为，可能为磷酸盐基体与石英纤维界面粘接强度高，在制样过程中石英纤维被撕裂所致。

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

曹先启（1983-），男，山东菏泽人，硕士，助理研究员,主要从事无机磷酸盐耐高温胶黏剂及其功能材料的研究。

*通讯联系人：王超（1968-），博士，研究员。E-mail:wangchao711@163.com。