Nano-TiO2 coated needle carbon fiber reinforced phenolic aerogel composite with low density, excellent heat-insulating and infrared radiation shielding performance

材料科学 气凝胶 复合材料 复合数 热稳定性 热导率 锐钛矿 涂层 纤维 纳米复合材料 纳米- 碳纤维 煅烧 化学工程 光催化 生物化学 化学 工程类 催化作用
作者
Yiwu Pan,Xiangyu Jin,Hebing Wang,He Huang,Can Wu,Xiaojie Yan,Changqing Hong,Xinghong Zhang
出处
期刊:Journal of Materials Science & Technology [Elsevier]
卷期号:152: 181-189 被引量:28
标识
DOI:10.1016/j.jmst.2022.12.035
摘要

High-performance thermal protection materials (TPMs) for spacecraft are becoming current research hotspots. Lightweight polymer-based ablators are considered to be the most promising candidates for TPMs due to their excellent designability and versatility. In this study, a unique nano-TiO2 coated needled carbon fiber felt/phenolic resin aerogel composite (TiCF/PR) is reported. Wherein the anatase nano-TiO2 was in-situ coated on the surface of carbon fibers uniformly through the sol-gel and calcination method, then, the phenolic resin aerogel was in-situ synthesized in the nano-TiO2 coated needled carbon fiber felt (TiCF) preform through vacuum impregnation and solvothermal method. The as-prepared aerogel composite possesses a low density (0.30–0.32 g/cm3), low thermal conductivity (0.034 and 0.312 W/(m K) in the z and xy directions), and excellent thermal stability with 13.86% residual weight at 1300 °C in air. It is worthwhile to note that the TiCF/PR composite exhibits excellent antioxidant ablation and infrared (IR) radiation shielding properties in a high-temperature heating environment. With an oxygen-acetylene blaze heating of 1.5 MW/m2 for 150 s, the linear ablation rates decreased by 13.4%, and the backside temperature reduced from 322.3 to 179.1 °C compared to that of the sample without nano-TiO2 coating. The experimental and theoretical analysis showed that the present TiCF/PR nanocomposite has competitive and potential application prospects in the field of future TPMs.
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