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 碳纤维 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:14
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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