本发明属于材料，具体涉及一种机械强度和高温隔热性能优异的轻质聚酰亚胺基碳泡沫及其制备方法和用途。
背景技术：
1、随着现代空间技术的发展，空间探索、载入大气层以及空天往返飞行器等所面临的气动热环境以及发动机相关环境日益恶劣。例如，高超声速飞行器在临近空间高马赫长时飞行时，机身表面气动加热异常严苛；而航天器返回大气层时，也会受到极高温的影响。为了避免严苛的热环境对机体的破坏，对高温隔热材料提出了更高要求。高温隔热材料不仅需要优异的高温隔热性能，还须具备足够机械强度，才能阻隔机身表面的热量往机身内部传播的同时承受超高温、急剧热冲击和强烈振动等严酷热力环境。此外，应用于飞行器的防隔热材料还应尽可能减少自身重量，以保证热防护系统轻量化和飞行器的机动性。因此，开发高机械强度和优异高温隔热性能的轻质材料具有重要意义。
2、碳泡沫是一种三维多孔材料，具有轻质、高温稳定性好和热导率低等特点，在高温防隔热等领域有着广阔的应用。目前碳泡沫前驱体来源较为广泛，主要包括碳纳米材料、生物质和有机聚合物等。碳纳米材料通过纳米颗粒堆积形成碳泡沫材料，这种碳泡沫材料虽然热导率较低，但纳米颗粒间的相互作用较弱，其力学强度也相对较低。生物质经过升温碳化后可以得到碳泡沫材料，但其结构和性能主要取决于生物质的结构，因此在实际应用中，生物质基碳泡沫难以根据具体工况进行针对性的设计。有机聚合物由于其微观形态和化学组分可控，展现出轻质、结构和性能可设计性强等优点，被认为是碳泡沫前驱体的最佳选择，如三聚氰胺、酚醛树脂、聚酰亚胺等有机聚合物已被广泛研究。例如，su kim等人发明了一种由mwcnts增强的酚醛碳泡沫，制备的碳泡沫虽然具有较低的热导率(～0.09w·m-1k-1)，但机械强度较低，为～0.14mpa(seung a song,youngmin lee,yeon su kim,seong sukim,mechanical and thermal properties of carbon foam derived from phenolicfoam reinforced with composite particles,composite structures,173(2017)(1-8))。聚酰亚胺链段中含有大量苯环和酰亚胺环结构，赋予其优异的成碳性能，常被考虑为碳泡沫前驱体。ni等人通过微波辅助发泡法发明了一种聚酰亚胺基碳泡沫，该碳泡沫密度较低(22.9kg·m-3)、耐高温，且具有优异的隔热性能，机械性能达到0.10mpa(l.ni,z.kang,y.luo,l.yan,j.lu,g.wang,s.qiu,m.liang,s.zhou,h.zou,lightweight polyimide-derived carbon foams with anisotropic porous structures prepared bymicrowave-assisted foaming and carbonization for thermal insulation and emishielding applications,journal of materials chemistry c 11(39)(2023)(13446-13458)，然而其机械性能不能满足实际应用的需求。
3、因此，需要研发一种兼具高机械强度和优异高温隔热性能的聚酰亚胺基碳泡沫，这在航空航天、火箭推进系统、高温工业设备热防护等领域具有重要意义。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种机械强度和高温隔热性能优异的轻质聚酰亚胺基碳泡沫及其制备方法和用途。
2、本发明提供了一种聚酰亚胺基碳泡沫，所述聚酰亚胺基碳泡沫是以芳香二酐单体和芳香二胺单体为原料反应，得到聚酰亚胺前驱体，再将聚酰亚胺前驱体发泡、酰亚胺化、碳化所得；
3、所述芳香二酐单体和芳香二胺单体的摩尔比为(1～100)：(1～100)。
4、进一步地，所述芳香二酐单体和芳香二胺单体摩尔比(1-100):50，优选为1:1。
5、进一步地，所述的芳香二酐单体选自(3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐、均苯四甲酸二酐、3,3’,4,4’-联苯四羧酸二酐和4,4’-氧双邻苯二甲酸酐)中任意一种或两种以上；
6、和/或所述的芳香二胺单体选自(4,4’-二氨基二苯甲烷、4,4’-二氨基二苯醚、对苯二胺、4,4’-二氨基-3,3’-二甲基联苯、4,4’-二氨基二苯砜)中任意一种或两种以上；
7、优选地，所述芳香二酐单体为3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐；和/或，所述芳香二胺单体为4,4’-二氨基二苯甲烷。
8、进一步地，所述反应包括以下步骤：1)在芳香二酐单体中加入溶剂、开环催化剂反应得到芳香二酸二酯溶液；2)在芳香二酸二酯溶液中加入芳香二胺单体、酰亚胺化催化剂、表面活性剂反应，减压浓缩，得到溶剂含量为10-20wt％的产物，经粉碎、筛分得到粒径为0.05-0.6mm的聚酰亚胺前驱体。
9、进一步地，所述溶剂为醇类溶剂和醚类溶剂的混合物，所述开环催化剂为二甲基咪唑，所述酰亚胺化催化剂为异喹啉，所述表面活性剂为硅油dc193；所述芳香二胺单体、酰亚胺化催化剂、表面活性剂的比例为(0.1～4)mol：(0.1～50)mmol：(0.1～5)g；
10、步骤1)所述反应的条件为在氮气或惰性气体保护下，于50-70℃反应0.5-2h；步骤2)所述反应的条件为在65-85℃下反应2-4h；
11、优选的，所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇中的任意一种或两种以上，所述醚类溶剂为四氢呋喃；所述芳香二胺单体、酰亚胺化催化剂、表面活性剂的比例为(0.3-0.5)mol：(10-30)mmol：(1-2)g。
12、进一步地，所述芳香二胺单体、酰亚胺化催化剂、表面活性剂的比例为0.4mol:20mmol:1.04g。
13、进一步地，所述产物的溶剂含量为14-17wt％；
14、和/或所述发泡的聚酰亚胺前驱体的粒径为0.1-0.4mm，优选的，所述发泡的聚酰亚胺前驱体的粒径为大于等于0.1mm且小于0.2mm、大于等于0.2mm且小于0.3mm、或大于等于0.3mm且小于等于0.4mm。
15、进一步地，所述发泡的条件为在120-150℃下保持12-18min，优选为在130℃下保持15min；所述酰亚胺化的条件为250-350℃下保持1～3h，优选为在300℃下保持2h。
16、进一步地，所述碳化的条件为在氮气或惰性气体保护下于600-1600℃下碳化1-5小时，优选为在800℃-1400℃下碳化2-4小时，优选为在800℃-1400℃下碳化3小时。
17、本发明还提供了一种制备上述的聚酰亚胺基碳泡沫的方法，所述聚酰亚胺基碳泡沫是以芳香二酐单体和芳香二胺单体为原料反应，得到聚酰亚胺前驱体，再将聚酰亚胺前驱体发泡、酰亚胺化、碳化所得。
18、本发明还提供了一种上述的聚酰亚胺基碳泡沫在制备应用于航空航天、火箭推进系统、高温工业设备热防护领域的结构材料中的用途。
19、本发明提供了一种机械强度和高温隔热性能优异的轻质聚酰亚胺基碳泡沫，本发明将芳香二酐和芳香二胺共聚制备得到聚酰亚胺前驱体盐peas盐，然后选用不同粒径大小peas盐通过微球发泡、热酰亚胺化得到酰亚胺化泡沫后，再经过高温碳化制得该聚酰亚胺基碳泡沫，本发明制备工艺简单，容易操作。该聚酰亚胺基碳泡沫密度低，压缩强度高，且热导率低，可在高温下使用，具有优异的综合性能。本发明碳泡沫可以在航空航天、火箭推进系统、高温工业设备热防护等领域中作为高温隔热材料使用，具有广泛的应用前景。
20、显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
21、以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
1.一种聚酰亚胺基碳泡沫，其特征在于：所述聚酰亚胺基碳泡沫是以芳香二酐单体和芳香二胺单体为原料反应，得到聚酰亚胺前驱体，再将聚酰亚胺前驱体发泡、酰亚胺化、碳化所得；
2.根据权利要求1所述的聚酰亚胺基碳泡沫，其特征在于：所述芳香二酐单体和芳香二胺单体摩尔比(1-100):50，优选为1:1。
3.根据权利要求1或2所述的聚酰亚胺基碳泡沫，其特征在于：所述的芳香二酐单体选自(3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐、均苯四甲酸二酐、3,3’,4,4’-联苯四羧酸二酐和4,4’-氧双邻苯二甲酸酐)中任意一种或两种以上；
4.根据权利要求1所述的聚酰亚胺基碳泡沫，其特征在于：所述反应包括以下步骤：1)在芳香二酐单体中加入溶剂、开环催化剂反应得到芳香二酸二酯溶液；2)在芳香二酸二酯溶液中加入芳香二胺单体、酰亚胺化催化剂、表面活性剂反应，减压浓缩，得到溶剂含量为10-20wt％的产物，经粉碎、筛分得到粒径为0.05-0.6mm的聚酰亚胺前驱体。
5.根据权利要求4所述的聚酰亚胺基碳泡沫，其特征在于：所述溶剂为醇类溶剂和醚类溶剂的混合物，所述开环催化剂为二甲基咪唑，所述酰亚胺化催化剂为异喹啉，所述表面活性剂为硅油dc193；所述芳香二胺单体、酰亚胺化催化剂、表面活性剂的比例为(0.1～4)mol：(0.1～50)mmol：(0.1～5)g；
6.根据权利要求1-5所述的聚酰亚胺基碳泡沫，其特征在于：所述产物的溶剂含量为14-17wt％；
7.根据权利要求1-5所述的聚酰亚胺基碳泡沫，其特征在于：所述发泡的条件为在120-150℃下保持12-18min，优选为在130℃下保持15min；所述酰亚胺化的条件为250-350℃下保持1～3h，优选为在300℃下保持2h。
8.根据权利要求1-7所述的聚酰亚胺基碳泡沫，其特征在于：所述碳化的条件为在氮气或惰性气体保护下于600-1600℃下碳化1-5小时，优选为在800℃-1400℃下碳化2-4小时，优选为在800℃-1400℃下碳化3小时。
9.一种制备权利要求1-8所述的聚酰亚胺基碳泡沫的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：所述聚酰亚胺基碳泡沫是以芳香二酐单体和芳香二胺单体为原料反应，得到聚酰亚胺前驱体，再将聚酰亚胺前驱体发泡、酰亚胺化、碳化即得。
10.权利要求1-8所述的聚酰亚胺基碳泡沫在制备应用于航空航天、火箭推进系统、装备及高温工业设备热防护领域的结构材料中的用途。
