CN106584942A - 一种外防热材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及外防热材料及其制备方法。具体来说，所述外防热材料包括第一面板层、第二面板层和位于所述第一面板层和所述第二面板层之间的芯层气凝胶层；所述第一面板层和所述第二面板层由纤维预制体复合气凝胶前驱体和陶瓷前驱体而成，所述芯层气凝胶层主要由纤维基体复合气凝胶前驱体而成，所述纤维预制体和所述纤维基体的纤维表面经界面包覆处理。该材料解决了高应变协调陶瓷面板的界面包覆处理问题，提高了防隔热材料的耐温等级和变形协调能力，具有耐高温、高应变协调能力的优势，从而可以设计出更大尺寸的构件，扩展了材料的应用范围。

Description

一种外防热材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种耐高温、高应变协调的外防热材料及其制备方法。
背景技术
高应变协调外防热材料由芯层隔热材料和上下层陶瓷面板通过一体化缝合制备而成，芯层隔热材料由柔性棉毡复合气凝胶隔热填料制备而成，上下面板层由连续纤维增强体复合陶瓷基体制备而成，上层/芯层/下层通过陶瓷化缝合线连接而成。该类型结构的最大的优点是变形协调性能高、抗冲击能力强、尺寸大、隔热效果好、装配简单。解决传统外防热材料脆性大、变形协调能力差等难题，提高了设计余量和安全可靠性。
该类型外防热材料有望在高超声速飞行器、再入式飞行器等防隔热领域获得大规模应用。然而，该类型材料的陶瓷面板具有较大的耐温局限性，一般不超过1200℃，1200℃条件下力学强度明显下降，主要原因为氧化物纤维与氧化物陶瓷或C纤维与SiC陶瓷发生界面反应，面板呈现脆性，从本质上产生了应用领域的边界线。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的是传统外防热材料脆性大、变形协调能力差的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种外防热材料，所述外防热材料包括第一面板层、第二面板层和位于所述第一面板层和所述第二面板层之间的芯层气凝胶层；
所述第一面板层和所述第二面板层主要由纤维预制体复合气凝胶前驱体和陶瓷前驱体而成，所述芯层气凝胶层主要由纤维基体复合气凝胶前驱体而成，所述纤维预制体的纤维表面经界面包覆处理。
本发明提供的是一种“三明治”夹层结构的材料，包括第一面板层和第二面板层和芯层气凝胶层，第一面板层和第二面板层具有较高的耐温、承载、抗冲刷能力，保护芯层气凝胶层材料。
在本发明中，对第一面板层和第二面板层中的纤维表面进行了界面包覆处理，从而阻隔高温下纤维与陶瓷基体反应，增大第一面板层和第二面板层的耐高温强度。由于界面反应程度大大降低，从而使得材料的变形协调能力提高，在高温下的力学性能大幅度提升。
此外，本发明所制备的外防热材料具有较高的层间结合强度。通过后续的制备方法可知，层间结合力主要通过缝合线提供，界面包覆所用的界面包覆处理剂不但提高了缝合线强度，同时作为粘结剂还增大了芯层和两个面板层的结合强度。经检测，本发明所提供的外防热材料的平拉强度可以为0.6-3.5MPa，而一般的航天隔热瓦的平拉强度仅为0.4-0.5MPa，可见，本发明所提供的外防热材料的平拉强度优于航天隔热瓦。
优选地，所述界面包覆处理可以为BN界面包覆处理或SiC/C界面包覆处理。
进一步优选地，所述界面包覆处理所形成的界面层的厚度为0.05-1μm。
界面层的厚度过大，面板容易变脆，工艺可行性差；而界面层厚度过薄时，则无法达到理想的包覆效果，面板的耐温性差，因此，本发明提供的外防热材料中，界面层的厚度优选为0.05-1μm，更优选为50-300nm，最优选为100-200nm。
优选地，所述纤维预制体和所述纤维基体主要由纤维制成，所述纤维选自氧化锆纤维、石英纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维、硅酸铝纤维、高硅氧纤维和碳纤维中的一种或多种；
所述预制体所用纤维的直径可以为1～10μm，优选为3～7μm，耐温性可以为1000℃以上，优选为大于1200℃；
所述纤维基体所用纤维的直径可以为1～10μm，优选为1～5μm，耐温性可以为800℃以上，优选为大于1000℃；和/或，
所述纤维预制体的厚度可以为0.2-4.5mm，优选为0.5-2mm。
优选地，所述陶瓷前驱体选自无机陶瓷前驱体或有机陶瓷前驱体中的任一种；
所述无机陶瓷前驱体包括氧化硅溶胶、氧化铝溶胶和氧化锆溶胶中的一种或多种，且所述无机陶瓷前驱体中的固含量可以为5～80质量％(例如为5、10、20、30、40、50、60、70或80质量％)；
所述有机陶瓷前驱体主要包括有机硅树脂、硅硼碳氮树脂、全氢硅树脂和聚碳硅烷树脂中的一种或多种，且所述有机陶瓷前驱体中的固含量可以为5-80质量％(例如为5、10、20、30、40、50、60、70或80质量％)；和/或，
所述气凝胶前驱体选自由SiO2气凝胶、Al2O3气凝胶和ZrO2气凝胶组成的组中的一种或多种。
在本发明中，所述第一面板层和/或所述第二面板层的密度可以为1.5-2.5g/cm3，压缩强度可以为30-200MPa，室温热导率可以为0.05-0.60W/m·K；
所述芯层气凝胶层的压缩强度可以为0.05-3.5MPa，室温热导率可以为0.02-0.05W/m·K，弯曲强度可以为0.05-2.5MPa。
本发明还提供了一种该外防热材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)、用纤维制得第一面板层纤维预制体、第二面板层纤维预制体和芯层气凝胶层纤维基体；
(2)、依次将第一面板层纤维预制体、芯层气凝胶层纤维基体和第二面板层预制体叠放，采用陶瓷化缝合线进行一体化缝合，得到第一预制体；
(3)、对所述第一预制体纤维进行界面包覆处理，得到第二预制 体；
(4)、将所述第二预制体通过真空浸渍-打压方式复合气凝胶前驱体，再经凝胶、老化、干燥，烧结，获得第一坯体；
(5)、将所述第一坯体浸渍陶瓷前驱体，再经干燥、烧结，得到外防热材料。
本发明提供的制备方法中，首先将第一面板层纤维预制体、芯层气凝胶层纤维基体和第二面板层纤维预制体一体化缝合，采用界面包覆处理剂进行界面包覆处理，然后浸渍复合气凝胶前驱体，最后在第一面板层和第二面板层复合陶瓷前驱体，烧结，获得耐高温、高应变协调外防热材料。
经检测，所制得的外防热材料的室温热导率可达0.028-0.038W/m·K，压缩强度(10％形变)可达0.4-5.0MPa，四点弯曲挠曲位移可达0.5mm-20mm。
具体来说：
步骤(1)为预制体成型步骤。此处的预制体包括第一面板层纤维预制体、芯层气凝胶层纤维基体和第二面板层预制体。预制体是由纤维制成的，在制备预制体时，根据设计要求选择所用纤维的种类、直径等，并且根据设计要求选择预制体的尺寸。
在制备预制体时，可以采用编织工艺或针刺成型工艺进行。
步骤(2)为预制体一体化缝合步骤。具体地说，将步骤(1)制得的第一面板层纤维预制体、芯层气凝胶层纤维基体和第二面板层预制体按照这一顺序叠加在模具工装中，然后如通过缝合设备进行一体化缝合。
在这一步骤中，由纤维制成的芯层气凝胶层纤维基体还未复合气凝胶前驱体，因此，在缝合时可采用陶瓷化缝合线进行一体化缝合，而无需对芯层气凝胶层纤维基体进行打孔，不但缩短了工序周期，而且还降低了成本。
在这一步骤中，所用的陶瓷化缝合线可以采用选自由石英纤维纱、 氧化铝纤维纱、莫来石纤维纱和硼硅酸铝纤维纱组成的组中的任一种或多种制得，纱线密度可以为400-800tex。在缝合时，陶瓷化缝合线可以以单股或多股形式缝合，缝合间距可以为例如6×6mm，8×8mm，10×10mm。
通过一体化缝合，缝合线为三明治结构中的面板层和芯层提供了较高的层间结合力，使得材料具有较高的层间结合强度。
步骤(3)为预制体纤维界面包覆步骤。具体地，将已经缝合定型好的预制体置于容器中，对纤维进行沉积、包覆，直至界面层厚度满足设计要求。
在本发明中，界面包覆处理可以为BN界面包覆处理或SiC/C界面包覆处理。通过BN界面包覆处理，采用BN作为界面包覆处理剂可以在纤维上形成一层涂层。通过SiC/C界面包覆处理，可以在纤维表面上形成C涂层和SiC涂层。所述界面包覆处理的方法可以为化学气相沉积法或溶液法，优选为化学气相沉积法。
通过界面包覆处理，不但提高了缝合线强度，而且所使用的界面包覆处理剂还作为粘结剂增大了芯层气凝胶层和面板层的结合强度。
界面层阻隔高温下纤维与陶瓷基体反应，增大第一面板层和第二面板层的耐高温强度。经过界面包覆处理，界面反应程度大大降低，从而使得材料的变形协调能力提高，在高温下的力学性能大幅度提升。
步骤(4)为复合气凝胶步骤。具体地，使用气凝胶前驱体浸渍界面包覆处理后得到的第二预制体，例如通过真空浸渍-打压方式将所述第二预制体进行气凝胶前驱体复合，再经凝胶、老化、干燥，烧结，获得第一坯体。通过这一步骤，将纤维基体复合陶瓷气凝胶，得到芯层气凝胶层。
在这一步骤中，所述凝胶步骤可以为常温凝胶，所述干燥可以为超临界干燥，所述烧结的温度为300-450℃。
步骤(5)为面板成型步骤。具体地，将所述第一坯体浸渍陶瓷前驱体，再经干燥、烧结，得到外防热材料。
在浸渍时可选择喷涂的方式进行，将陶瓷前驱体通过喷涂方式，对面板进行浸渍。这样可将陶瓷前驱体均匀地复合在面板表面，从而使得面板强度大大提高。具体步骤包括：将所述陶瓷前驱体通过喷涂方式浸渍于所述第一坯体中的两个面板层位置处，再经干燥、烧结，得到外防热材料。
通过上述5个步骤获得外防热材料。在使用或出售时，可对材料进行切边加工，获得尺寸符合要求的外防热材料。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
(1)、本发明所制备的高应变协调材料，其面板材料的高温力学性能大幅度提升。
(2)、本发明所制备的高应变协调材料，其面板材料的室温力学性能也大幅度提升，应变协调性能进一步提高。
(3)、本发明所制备的高应变协调材料，具有较高的层间结合强度，层间结合力主要通过缝合线提供，界面包覆处理剂不但提高了缝合线强度，同时作为粘结剂增大了气凝胶层和面板层的结合强度，平拉强度为0.5-3.5MPa，优于航天隔热瓦。
(4)、本发明所制备的高应变协调材料，简化了芯层气凝胶层机加打孔工序，缩短了工序周期，节约了成本。
(5)、本发明所制备的高应变协调材料，可以设计出更大尺寸构件，降低设计压力，简化了装配、缝隙处理等繁琐工序，保障了隔热效果；
(6)、本发明所制备的高应变协调材料，具有良好的抗烧蚀、抗粒子冲击性能，力学性能是普通航天隔热瓦的数十倍，构件性能稳定；
(7)、本发明所制备的高应变协调材料，具有较高的隔热性能，芯层气凝胶层是隔热性能最优的隔热材料，室温热导率为0.020-0.05W/m·K，外防热材料室温热导率为0.028-0.039W/m·K，优于航天隔热瓦；
(8)、可根据使用场合和部位制得各种异型面和尺寸的外防热材料。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例制备的材料及制备方法如下：
通过化学气相沉积SiC/C界面包覆处理，制备耐高温、高应变协调外防热材料，具体包括如下步骤：
(1)、选择氧化铝纤维，通过针刺成型工艺制备氧化铝针刺毡，制得的氧化铝针刺毡密度为0.13g/cm3，600℃烧结，去除纤维表面亲润剂，裁剪针刺毡尺寸为320mm×320mm×22mm。
(2)、选择氧化铝纤维，通过2.5D编织工艺制备纤维预制体，尺寸为320mm×320mm×2mm和320mm×320mm×1mm，纤维体积含量40％，裁剪掉毛边，丙酮处理，去除有机物。
(3)、将以上三种尺寸的预制体依照2mm/22mm/1mm的顺序叠加，置于缝合工装内，进行一体化缝合，缝合后坯体厚度25mm。
(4)、缝合线采用氧化铝纤维，400tex，缝合间距10×10mm。
(5)、将缝制好的坯体置于化学气相沉积炉中，首先沉积C涂层，厚度100nm，作为过渡层，然后沉积SiC涂层，厚度100nm，完成界面包覆处理。
(6)、将坯体置于成型模具中，密封处理。
(7)、配置20％(质量浓度)的二氧化硅溶胶，加入催化剂HCl (1M)和NH4F(4M)，比例为100：1：1，搅拌均匀，待用。
(8)、通过真空浸渍-打压工艺复合制备湿凝胶，常温凝胶12小时、50℃老化24小时，在40℃，14MPa的条件下超临界干燥48小时后，400℃烧结。
(9)、采用30％硅溶胶(质量浓度为30％)，通过喷涂方式，对上下面板层进行表面浸渍，浸渍次数为6次，80℃下干燥24小时、600℃下烧结2小时，获得外防热材料。
最后进行切边精加工，所获得的外防热材料的尺寸为300mm×300mm×25mm，密度约为0.60g/cm3，室温热导率为0.035W/m·K，平拉强度为1.5MPa，四点弯曲挠曲位移为13.4mm，上面板1200℃拉伸强度48.3MPa。
实施例2
本实施例制备的材料及制备方法如下：
通过化学气相沉积BN界面包覆处理，制备耐高温、高应变协调外防热材料
(1)、选择氧化铝纤维，其长期使用温度为1300-1400℃，通过针刺成型工艺制备氧化铝针刺毡，密度0.16g/cm3，600℃烧结，去除纤维表面亲润剂，裁剪针刺毡尺寸170mm×170mm×22mm。
(2)、选择氧化铝纤维，通过2.5D编织工艺制备纤维预制体，尺寸为170mm×170mm×2mm和170mm×170mm×1mm，纤维体积含量40％，裁剪掉毛边，丙酮处理，去除有机物。
(3)、将以上三种预制体依照2mm/22mm/1mm的顺序叠加，置于缝合工装内，进行一体化缝合，缝合后坯体厚度25mm。
(4)、缝合线采用氧化铝纤维，800tex，缝合间距8×8mm。
(5)、将缝制好的坯体置于化学气相沉积炉中，首先沉积BN涂层，厚度200nm，完成界面包覆处理。
(6)、将坯体置于成型模具中，密封处理。
(7)、配置25％(质量浓度为25％)的二氧化硅溶胶，加入催化 剂HCl(1M)和NH4F(4M)，比例为100：2：2，搅拌均匀，待用。
(8)、通过真空浸渍-打压工艺复合制备湿凝胶，常温凝胶12小时、50℃老化24小时，在40℃，14MPa的条件下超临界干燥48小时后，450℃烧结。
(9)采用25％硅溶胶(质量浓度为25％)，通过喷涂方式，对上下面板层进行表面浸渍，浸渍次数为6次，80℃下干燥24小时、600℃下烧结2小时，获得外防热材料。
最后进行切边精加工，所获得的外防热材料的尺寸为150mm×150mm×25mm，密度约为0.62g/cm3，室温热导率为0.036W/m·K，平拉强度为1.7MPa，四点弯曲挠曲位移为15.2mm，上面板1200℃拉伸强度56.2MPa。
实施例3
本实施例制备的材料及制备方法如下：
以硼酸和尿素法浸渍界面包覆处理，制备耐高温、高应变协调外防热材料
(1)、选择氧化铝纤维，通过针刺成型工艺制备氧化铝针刺毡，密度0.20g/cm3，600℃烧结，去除纤维表面亲润剂，裁剪针刺毡尺寸120mm×120mm×22mm。
(2)、选择氧化铝纤维，通过2.5D编织工艺制备纤维预制体，尺寸为120mm×120mm×2mm和120mm×120mm×1mm，纤维体积含量40％，裁剪掉毛边，丙酮处理，去除有机物。
(3)、将以上三种预制体依照2mm/22mm/1mm的顺序叠加，置于缝合工装内，进行一体化缝合，缝合后坯体厚度25mm。
(4)、缝合线采用氧化铝纤维，800tex，缝合间距6×6mm。
(5)、将缝制好的坯体置于硼酸和尿素溶液中，硼酸和尿素的摩尔比为1:3，硼酸的质量浓度为10％，在惰性气体下烧结后，完成对纤维进行界面包覆处理。
(6)、将坯体置于成型模具中，密封处理。
(7)、配置25％(质量浓度为25％)的二氧化硅溶胶，加入催化剂HCl(1M)和NH4F(4M)，比例为100：3：3，搅拌均匀，待用。
(8)、通过真空浸渍-打压工艺复合制备湿凝胶，常温凝胶12小时、50℃老化24小时，在40℃，14MPa的条件下超临界干燥48小时后，300℃烧结。
(9)、采用40％有机硅树脂(质量浓度为40％)，通过喷涂方式，对上下面板层进行表面浸渍，浸渍次数为6次，80℃下干燥24小时、600℃下烧结2小时，获得外防热材料。
最后进行切边精加工，所获得的外防热材料的尺寸为100mm×100mm×25mm，密度约为0.64g/cm3，室温热导率为0.039W/m·K，平拉强度为2.0MPa，四点弯曲挠曲位移为14.6mm，上面板1200℃拉伸强度38.2MPa。
实施例4
本实施例制备方法同实施例1基本上相同，不同之处在于：
在步骤(1)中，选择直径为7μm的氧化锆纤维，其使用温度超过1300℃，通过针刺成型工艺制备石英针刺毡，制得的石英针刺毡密度为0.15g/cm3；
在步骤(2)中，选择直径为1μm的氧化锆纤维，其最高使用温度高达2200℃，制得的两个纤维预制体的厚度为4.5mm和0.5mm；
在步骤(4)中，缝合线采用石英纤维，400tex；
在步骤(5)中，C涂层和SiC涂层的厚度为25nm。
最后，所获得的外防热材料的尺寸为300mm×300mm×27mm，密度约为0.68g/cm3，室温热导率为0.033W/m·K，平拉强度为1.3MPa，四点弯曲挠曲位移为13.2mm，上面板1200℃拉伸强度48.1MPa。
实施例5
本实施例制备方法同实施例2基本上相同，不同之处在于：
在步骤(1)中，选择直径为10μm的莫来石纤维，其使用温度超过1300℃，过针刺成型工艺制备莫来石针刺毡，密度为密度0.20g/cm3；
在步骤(2)中，选择直径为10μm的莫来石纤维，其使用温度超过1300℃，制得的两个纤维预制体的厚度为4.5mm和0.2mm；
在步骤(3)中，缝合后坯体厚度26.7mm；
在步骤(4)中，采用莫来石纤维进行缝合；
在步骤(5)中，BN涂层厚度为200nm。
最后，所获得的外防热材料的尺寸为170mm×170mm×26.7mm，密度约为0.66g/cm3，室温热导率为0.035W/m·K，平拉强度为1.6MPa，四点弯曲挠曲位移为15.0mm，上面板1200℃拉伸强度56.0MPa。
对比例1
对比例的制备方法同实施例1基本相同，不同之处在于，未进行界面包覆处理。具体制备方法包括如下步骤：
(1)选择氧化铝纤维，通过针刺成型工艺制备氧化铝针刺毡，密度0.13g/cm3，600℃烧结，去除纤维表面亲润剂，裁剪针刺毡尺寸320mm×320mm×22mm。
(2)配置20％(质量浓度为20％)的二氧化硅溶胶，加入催化剂HCl(1M)和NH4F(4M)，比例为100：1：1，搅拌均匀，待用。
(3)通过真空浸渍-打压工艺复合制备湿凝胶，常温凝胶12小时、50℃老化24小时，在40℃，14MPa的条件下超临界干燥48小时后，400℃烧结。
(4)进行打孔，孔径2mm，现用的缝合线，缝合间距10×10mm；
(5)选择氧化铝纤维，通过2.5D编织工艺制备纤维预制体，尺寸为320mm×320mm×2mm和320mm×320mm×1mm，纤维体积含量40％，裁剪掉毛边，丙酮处理，去除有机物。
(6)采用30％硅溶胶(质量浓度为30％)，通过浸渍方式，对上下面板层进行表面浸渍，浸渍次数为6次，80℃下干燥24小时、600℃下烧结2小时，获得外防热材料。
最后进行切边精加工。
对比各实施例和对比例1的材料的性能数据，其结果如表1所示。
表1 对比结果
由表1的对比结果可以看出，未进行界面包覆处理所制得的外防热材料的力学性能和耐高温性能远远不及本发明提供的外防热材料。
而通过实施例1-3的对比可以看出，不同的界面包覆处理方法也会影响外防热材料的力学性能和耐高温性能。其中，采用化学气相沉积BN涂层这一方法制得的材料的性能最佳，采用化学气相沉积SiC/C涂层这一方法制得的材料的性能次之，采用溶液沉积BN涂层这一方法制得的材料的性能较差，但也远远优于对比例。
综上所述，本发明提供的材料将第一面板层、芯层气凝胶层和第二面板层一体化缝合，并对面板层中的纤维进行界面包覆处理，制得的材料具有耐高温、高应变协调的优点。其尺寸也大于航天隔热瓦，隔热性能也显著优于航天隔热瓦，耐温等级也有了大幅度提升，有望作为新型外防热材料在高超声速飞行器、航天飞机大面积外防热领域获得广泛应用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方 案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种外防热材料，其特征在于，所述外防热材料包括第一面板层、第二面板层和位于所述第一面板层和所述第二面板层之间的芯层气凝胶层；
所述第一面板层和所述第二面板层由纤维预制体复合气凝胶前驱体和陶瓷前驱体而成，所述芯层气凝胶层主要由纤维基体复合气凝胶前驱体而成，所述纤维预制体和所述纤维基体的纤维表面经界面包覆处理。
2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述界面包覆处理为SiC/C界面包覆处理或BN界面包覆处理。
3.根据权利要求2所述的材料，其特征在于，所述界面包覆处理所形成的界面层的厚度为0.05-1μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的材料，其特征在于，所述纤维预制体和所述纤维基体主要由纤维制成，所述纤维选自氧化锆纤维、石英纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维、硅酸铝纤维、高硅氧纤维和碳纤维中的一种或多种；
所述预制体所用纤维的直径为1～10μm，优选为3～7μm，耐温性不低于1000℃，优选大于1200℃；
所述纤维基体所用纤维的直径为1～10μm，优选为1～5μm，耐温性不低于800℃，优选大于1000℃；和/或，
所述纤维预制体的厚度为0.2-4.5mm，优选为0.5-2mm。
5.根据权利要求1-3任一项所述的材料，其特征在于，所述陶瓷前驱体选自无机陶瓷前驱体或有机陶瓷前驱体中的任一种；
所述无机陶瓷前驱体包括氧化硅溶胶、氧化铝溶胶和氧化锆溶胶中的一种或多种，且所述无机陶瓷前驱体中的固含量为5～80质量％；
所述有机陶瓷前驱体主要包括有机硅树脂、硅硼碳氮树脂、全氢硅树脂和聚碳硅烷树脂中的一种或多种，且所述有机陶瓷前驱体中的固含量为5-100质量％；和/或，
所述气凝胶前驱体选自由SiO2气凝胶、Al2O3气凝胶和ZrO2气凝胶组成的组中的一种或多种。
6.根据权利要求1-5任一项所述材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)、用纤维制得第一面板层纤维预制体、第二面板层纤维预制体和芯层气凝胶层纤维基体；
(2)、依次将第一面板层纤维预制体、芯层气凝胶层纤维基体和第二面板层预制体叠放，采用陶瓷化缝合线进行一体化缝合，得到第一预制体；
(3)、对所述第一预制体纤维进行界面包覆处理，得到第二预制体；
(4)、将所述第二预制体通过真空浸渍-打压方式复合气凝胶前驱体，再经凝胶、老化、干燥，烧结，获得第一坯体；
(5)、将所述第一坯体浸渍陶瓷前驱体，再经干燥、烧结，得到外防热材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述陶瓷缝合线选自由石英纤维纱、氧化铝纤维纱、莫来石纤维纱和硼硅酸铝纤维纱组成的组中的任一种或多种。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述界面包覆处理的步骤通过如下方式进行：将所述第一预制体置于容器中，对纤维进行沉积、包覆，直至界面层厚度达到预期厚度；
优选的是，所述界面包覆处理的方法可以为化学气相沉积法或溶液法，更优选为化学气相沉积法。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述烧结的温度为300-450℃。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)通过如下方式进行：将所述陶瓷前驱体通过喷涂方式浸渍于所述第一坯体中的两个面板层表面，再经干燥、烧结，得到外防热材料。
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Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108116002A (zh) * 2017-12-07 2018-06-05 航天特种材料及工艺技术研究所 一种具有高面板强度的夹层结构热防护材料及其制造方法
CN108116011A (zh) * 2017-12-08 2018-06-05 航天特种材料及工艺技术研究所 一种表面经过防护处理的夹层结构热防护材料及其制备方法
CN108483452A (zh) * 2018-05-29 2018-09-04 南京工业大学 一种低成本块状梯度复合气凝胶的制备方法
CN108530014A (zh) * 2018-05-11 2018-09-14 航天特种材料及工艺技术研究所 一种应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料及其制备方法
CN108911776A (zh) * 2018-06-28 2018-11-30 航天特种材料及工艺技术研究所 一种表面抗冲刷柔性隔热复合材料及其制备方法
CN109133957A (zh) * 2018-08-08 2019-01-04 赵丽敏 一种高稳定性陶瓷材料及其制备方法
CN109707952A (zh) * 2018-12-27 2019-05-03 湖北航天技术研究院总体设计所 一种具有梯度密度的防热隔热结构
CN109824372A (zh) * 2019-02-25 2019-05-31 中国人民解放军国防科技大学 一种低成本耐高温陶瓷复合材料及其快速制备方法
CN110128158A (zh) * 2019-04-22 2019-08-16 湖南远辉复合材料有限公司 防热/隔热/承载一体化陶瓷基轻质夹芯结构及其制备方法
CN110903683A (zh) * 2018-09-17 2020-03-24 航天特种材料及工艺技术研究所 一种复合材料表面修复方法
CN111592369A (zh) * 2020-05-25 2020-08-28 中国航空制造技术研究院 一种多层结构复合的耐高温热防护材料及其制备方法
CN112876205A (zh) * 2021-03-30 2021-06-01 华东理工大学 一种耐烧蚀防掉粉气凝胶基复合材料及其制备方法
CN113400734A (zh) * 2020-03-16 2021-09-17 北京电子工程总体研究所 基于前躯体转化陶瓷的耐高温防隔热材料一体化结构及其制作方法和应用
CN113846424A (zh) * 2021-09-26 2021-12-28 航天特种材料及工艺技术研究所 一种莫来石纤维针刺毡及其制备方法
CN113895106A (zh) * 2021-10-29 2022-01-07 航天特种材料及工艺技术研究所 一种多层夹心且局部增强的外防热材料及其制备方法和应用
CN115570852A (zh) * 2021-12-30 2023-01-06 湖北三江航天红阳机电有限公司 一种低密度耐高温防隔热复合材料设计制备及测试方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102642350A (zh) * 2012-04-24 2012-08-22 中国人民解放军国防科学技术大学 一种耐高温隔热三明治结构陶瓷复合材料及其制备方法
CN103449825A (zh) * 2013-08-19 2013-12-18 航天特种材料及工艺技术研究所 一种微烧蚀隔热材料及其制备方法
CN103722786A (zh) * 2013-09-11 2014-04-16 太仓派欧技术咨询服务有限公司 一种叠层混杂防热复合结构材料

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102642350A (zh) * 2012-04-24 2012-08-22 中国人民解放军国防科学技术大学 一种耐高温隔热三明治结构陶瓷复合材料及其制备方法
CN103449825A (zh) * 2013-08-19 2013-12-18 航天特种材料及工艺技术研究所 一种微烧蚀隔热材料及其制备方法
CN103722786A (zh) * 2013-09-11 2014-04-16 太仓派欧技术咨询服务有限公司 一种叠层混杂防热复合结构材料

Cited By (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108116002B (zh) * 2017-12-07 2019-02-22 航天特种材料及工艺技术研究所 一种具有高面板强度的夹层结构热防护材料及其制造方法
CN108116002A (zh) * 2017-12-07 2018-06-05 航天特种材料及工艺技术研究所 一种具有高面板强度的夹层结构热防护材料及其制造方法
CN108116011A (zh) * 2017-12-08 2018-06-05 航天特种材料及工艺技术研究所 一种表面经过防护处理的夹层结构热防护材料及其制备方法
CN108116011B (zh) * 2017-12-08 2019-06-25 航天特种材料及工艺技术研究所 一种表面经过防护处理的夹层结构热防护材料及其制备方法
CN108530014A (zh) * 2018-05-11 2018-09-14 航天特种材料及工艺技术研究所 一种应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料及其制备方法
CN108530014B (zh) * 2018-05-11 2019-05-31 航天特种材料及工艺技术研究所 一种应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料及其制备方法
CN108483452B (zh) * 2018-05-29 2021-06-22 南京工业大学 一种低成本块状梯度复合气凝胶的制备方法
CN108483452A (zh) * 2018-05-29 2018-09-04 南京工业大学 一种低成本块状梯度复合气凝胶的制备方法
CN108911776A (zh) * 2018-06-28 2018-11-30 航天特种材料及工艺技术研究所 一种表面抗冲刷柔性隔热复合材料及其制备方法
CN109133957A (zh) * 2018-08-08 2019-01-04 赵丽敏 一种高稳定性陶瓷材料及其制备方法
CN110903683A (zh) * 2018-09-17 2020-03-24 航天特种材料及工艺技术研究所 一种复合材料表面修复方法
CN109707952A (zh) * 2018-12-27 2019-05-03 湖北航天技术研究院总体设计所 一种具有梯度密度的防热隔热结构
CN109824372A (zh) * 2019-02-25 2019-05-31 中国人民解放军国防科技大学 一种低成本耐高温陶瓷复合材料及其快速制备方法
CN110128158A (zh) * 2019-04-22 2019-08-16 湖南远辉复合材料有限公司 防热/隔热/承载一体化陶瓷基轻质夹芯结构及其制备方法
CN110128158B (zh) * 2019-04-22 2021-11-02 湖南远辉复合材料有限公司 防热/隔热/承载一体化陶瓷基轻质夹芯结构及其制备方法
CN113400734A (zh) * 2020-03-16 2021-09-17 北京电子工程总体研究所 基于前躯体转化陶瓷的耐高温防隔热材料一体化结构及其制作方法和应用
CN113400734B (zh) * 2020-03-16 2024-05-07 北京电子工程总体研究所 基于前躯体转化陶瓷的耐高温防隔热材料一体化结构及其制作方法和应用
CN111592369A (zh) * 2020-05-25 2020-08-28 中国航空制造技术研究院 一种多层结构复合的耐高温热防护材料及其制备方法
CN112876205A (zh) * 2021-03-30 2021-06-01 华东理工大学 一种耐烧蚀防掉粉气凝胶基复合材料及其制备方法
CN112876205B (zh) * 2021-03-30 2022-08-05 华东理工大学 一种耐烧蚀防掉粉气凝胶基复合材料及其制备方法
CN113846424A (zh) * 2021-09-26 2021-12-28 航天特种材料及工艺技术研究所 一种莫来石纤维针刺毡及其制备方法
CN113895106A (zh) * 2021-10-29 2022-01-07 航天特种材料及工艺技术研究所 一种多层夹心且局部增强的外防热材料及其制备方法和应用
CN115570852A (zh) * 2021-12-30 2023-01-06 湖北三江航天红阳机电有限公司 一种低密度耐高温防隔热复合材料设计制备及测试方法

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