CN106626581B - 一种改进耐高温夹层结构隔热材料的应变性能的方法及由该方法制得的材料 - Google Patents

一种改进耐高温夹层结构隔热材料的应变性能的方法及由该方法制得的材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种改进耐高温夹层结构隔热材料的应变性能的方法及由该方法制得的材料。所述方法包括如下步骤：将耐高温陶瓷面板织物与溶胶前驱体复合，制得所述耐高温陶瓷面板；使耐高温纤维与溶胶复合，制得所述气凝胶芯层；将所述耐高温陶瓷面板与所述气凝胶芯层结合，制得所述耐高温夹层结构隔热材料。所述隔热材料包括耐高温陶瓷面板和气凝胶芯层。本发明方法简单、操作简便、对环境污染小。本发明的隔热材料在室温至1100℃应用环境能够保持较高的抗冲刷及承载性能，同时具备较低的导热系数和较好的隔热性能，尤其适合用于航天航空工业、民用工业等。

Description

一种改进耐高温夹层结构隔热材料的应变性能的方法及由该 方法制得的材料
技术领域
本发明涉及隔热材料技术领域，具体地说，本发明涉及一种改进耐高温夹层结构隔热材料的应变性能的方法以及由该方法制得的材料。
背景技术
超高声速飞行器在大气层中长时高速巡航的过程中，飞行器要承受严酷的气、热载荷作用。为了保证飞行器外形结构完整，内部的元器件正常工作，需要使用兼具耐温隔热和承载功能的外防热材料。
目前常见的外防热材料可以分为耐高温夹层材料和隔热瓦材料两类，其中耐高温夹层材料耐温性能满足1100℃使用，导热系数＜0.1W/m·K，抗压强度＞0.5MPa，抗冲刷性能优异，但是材料的应变性能受夹层结构的影响相对较低，应变大约2000με左右，刚刚能够满足飞行器外防热系统的使用要求，域度较低。
发明内容
为了解决一个或多个上述问题，本发明提供了一种改进耐高温夹层结构隔热材料的应变性能的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
1、一种改进耐高温夹层结构隔热材料的应变性能的方法，所述耐高温夹层结构隔热材料包括耐高温陶瓷面板和气凝胶芯层，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将耐高温陶瓷面板织物与溶胶前驱体复合，制得所述耐高温陶瓷面板；
(2)使耐高温纤维与溶胶复合，制得所述气凝胶芯层；
(3)将所述耐高温陶瓷面板与所述气凝胶芯层结合，制得所述耐高温夹层结构隔热材料。
2、如技术方案1所述的方法，其特征在于：
所述耐高温陶瓷面板织物由陶瓷纱线编织得到，所述陶瓷纱线选自由石英纱线、氧化铝纱线、莫来石纱线组成的组；和/或
制造所述耐高温陶瓷面板锁使用的溶胶前驱体为二氧化硅溶胶或三氧化二铝溶胶。
3、如技术方案1或2所述的方法，其特征在于：
制造所述气凝胶芯层所使用的溶胶选自由二氧化硅溶胶、三氧化二铝溶胶和二氧化锆溶胶组成的组；
进一步优选的是，制造所述气凝胶芯层所使用的耐高温纤维选自石英纤维、氧化铝纤维或莫来石纤维。
4、如技术方案1至5中任一项所述的方法，其特征在于：
所述耐高温陶瓷面板的厚度为0.5～5mm；
进一步优选的是，所述溶胶前驱体的浓度为15％～80％。
5、如技术方案1至4中任一项所述的方法，其特征在于：
以所述气凝胶芯层的质量计，所述气凝胶芯层中的耐高温纤维的含量为20质量％至80质量％；
进一步优选的是，所述溶胶的浓度为15质量％至40质量％。
6、如技术方案1至7中任一项所述的方法，其特征在于：
所述耐高温陶瓷面板与气凝胶芯层的厚度比为1：(1～20)；
进一步优选的是，所述耐高温夹层结构隔热材料的应变大于2000με，更优选为2500με～4000με。
7、一种耐高温夹层结构隔热材料，所述耐高温夹层结构隔热材料包括耐高温陶瓷面板和气凝胶芯层。
8、如技术方案7所述的耐高温夹层结构隔热材料，其特征在于：
所述耐高温夹层结构隔热材料的应变大于2000με；
进一步优选的是，所述耐高温夹层结构隔热材料的应变为2500με～4000με。
9、如技术方案7或8所述的耐高温夹层结构隔热材料，其特征在于，所述耐高温陶瓷面板与气凝胶芯层的厚度比为1：(1～20)。
10、如技术方案7至9中任一项所述的耐高温夹层结构隔热材料，其特征在于，所述耐高温夹层结构隔热材料由技术方案1至6中任一项所述的方法制得。
本发明所述的改进方法具有如下优点：
(1)本发明制备的耐高温夹层结构隔热材料具有较好的应变性能，应变＞2500με。
(2)本发明制备的耐高温夹层结构隔热材料应变性能可以通过调整材料制备参数进行控制，例如可以被控制为2500～4000με。
(3)本发明的方法简单、操作简便、对环境污染小、所使用的原材料，包括纤维、溶胶前驱体等均为无毒或低毒材料；所使用制备方法不产生任何对环境造成污染物质。。
(4)本发明可以用于制备各种形状规格的构件产品，在航空航天工业的环境中具有广泛的应用前景。
具体实施方式
如上所述，本发明在第一方面提供了一种改进耐高温夹层结构隔热材料的应变性能的方法，所述耐高温夹层结构隔热材料包括耐高温陶瓷面板和气凝胶芯层，所述方法包括如下步骤：
(1)将耐高温陶瓷面板织物与溶胶前驱体复合，制得所述耐高温陶瓷面板；
(2)使耐高温纤维与溶胶复合，制得所述气凝胶芯层；
(3)将所述耐高温陶瓷面板与所述气凝胶芯层结合，制得所述耐高温夹层结构隔热材料。
本发明对将耐高温陶瓷面板织物与溶胶前驱体复合的方法没有特别的限制，可以采用本领域技术人员已知的方法进行。例如，常压、负压或高压浸渍、刷涂等，然后高温或室温溶胶凝胶，最后自然晾干或烘箱干燥。
本发明对将耐高温纤维与溶胶复合的方法也没有特别的限制，可以采用本领域技术人员已知的方法进行。例如，常压、负压或高压浸渍等，然后高温或室温溶胶凝胶，最后程序干燥或超临界干燥。
本发明对将所述耐高温陶瓷面板与所述气凝胶芯层结合的方法也没有特别的限制，可以采用本领域技术人员已知的方法进行。例如，粘接、缝合、缠绕等。
在一些优选的实施方式中，所述耐高温陶瓷面板织物由陶瓷纱线编织得到，所述陶瓷纱线选自由石英纱线、氧化铝纱线、莫来石纱线组成的组。在另外一些优选的实施方式中，制造所述耐高温陶瓷面板所使用的溶胶前驱体为二氧化硅溶胶前驱体或三氧化二铝溶胶前驱体。
在一些优选的实施方式中，制造所述气凝胶芯层所使用的溶胶选自由二氧化硅溶胶、三氧化二铝溶胶和二氧化锆溶胶组成的组；在另外一些优选的实施方式中，制造所述气凝胶芯层所使用的耐高温纤维选自石英纤维、氧化铝纤维或莫来石纤维。
在一些优选的实施方式中，所述耐高温陶瓷面板的厚度为0.5～5mm，例如为0.5、1、2、3、4或5mm。如果厚度过大，则材料的隔热性能过低，应变性能降低至小于2000με；如果厚度过小，则材料的强度过低，其抗冲刷及承载性能无法满足使用要求。
在另外一些优选的实施方式中，所述溶胶前驱体的浓度为15质量％～80质量％，例如为15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75或80质量％。如果浓度过高，则会造成过度浸润效果，造成陶瓷面板性能降低；如果浓度过低，则浸润效果较差，也会造成陶瓷面板性能降低。
在一些优选的实施方式中，以所述气凝胶芯层的质量计，所述气凝胶芯层中的耐高温纤维的含量为20质量％至80质量％，例如为20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75或80质量％。如果含量过高，则材料的强度和隔热性能降低至无法满足使用要求；如果浓度过低，则材料的耐温性能显著降低，同时会对夹层材料的应变性能造成不利影响。
在一些优选的实施方式中，所述溶胶的浓度为15质量％至40质量％，例如为15、20、25、30、35或40质量％。如果浓度过高，则可能导致耐高温纤维含量过低；如果溶胶浓度过低，则可能导致耐高温纤维含量过高；由此可能出现前述问题。
在一些更优选的实施方式中，所述耐高温陶瓷面板与气凝胶芯层的厚度比为1：(1～20)，例如为1:1、1:2、、1:3、1:4、1:、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10、1:11、1:12、1:13、1:14、1:15、1:16、1:17、1:18、1:19或1:20。相对于所述耐高温陶瓷面板的厚度，如果实施气凝胶芯层的厚度过大，则夹层结构材料的耐温、力学性能及应变性能均可能降低；如果过小，则夹层结构材料的隔热性能、应变性能可能会降低。
在一些优选的实施方式中，所述耐高温夹层结构隔热材料的应变大于2000με；例如为2000με～4000με，例如2000、2500、3000、3500或4000με。更优选的是，所述耐高温夹层结构隔热材料的应变为2500με～4000με。
目前的耐高温夹层材料尽管耐温性能满足1100℃使用，导热系数＜0.1W/m·K，抗压强度＞0.5MPa，但是材料的应变大约2000με左右，刚刚能够满足飞行器外防热系统的使用要求，域度较低。而且，所述耐高温夹层结构隔热材料的应变性能受夹层结构的影响相对较低，很难通过改变夹层结构来改善应变性能。经过深入研究，本发明人意外发现，使用包括耐高温陶瓷面板和气凝胶芯层的耐高温夹层结构隔热材料，通过调整其中的耐高温陶瓷面板织物的厚度，调整与所述织物复合的溶胶前驱体浓度；和/或调整耐高温纤维与溶胶的含量以制得刚度降低的气凝胶芯层材料；和/或调节所述耐高温陶瓷面板和气凝胶芯层的厚度比例，可以显著改进所述耐高温夹层结构隔热材料的应变。例如，可以在保持现有性能，很容易地制得具有高的应变性能例如大于2500με或者应变性能可控(例如控制在2500με～4000με)的耐高温夹层结构隔热材料。
本发明在第二方面提供了一种耐高温夹层结构隔热材料，所述耐高温夹层结构隔热材料包括耐高温陶瓷面板和气凝胶芯层。
在一些优选的实施方式中，所述耐高温夹层结构隔热材料的应变大于2000με；例如为2000με～4000με，例如2000、2500、3000、3500或4000με。更优选的是，所述耐高温夹层结构隔热材料的应变为2500με～4000με。
在一些优选的实施方式中，所述耐高温陶瓷面板与气凝胶芯层的厚度比为1：(1～20)，具体如本发明第一方面所述。
关于的耐高温陶瓷面板和气凝胶芯层的材料及其制备方法，可以参见本发明第一方面所述，在此不再赘述。但是在一些更优选的实施方式中，所述耐高温夹层结构隔热材料由本发明第一方面所述的方法制得。
另外注意的是，如果没有特别说明，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及以端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。这些实施例只是就本发明的优选实施方式进行举例说明，本发明的保护范围不应解释为仅限于这些实施例。
本发明各实施例涉及原料均为市场购买。
实施例1
制备本发明所述的耐高温夹层隔热材料，其中，耐高温陶瓷面板织物由石英纱线编织得到，气凝胶芯层由耐高温纤维(石英纤维)与二氧化硅溶胶复合制得。
首先将厚度为1mm的耐高温面板织物，与40％浓度的溶胶前驱体(二氧化硅溶胶前驱体)通过真空加压浸渍复合制得耐高温陶瓷面板，然后将40％质量比的耐高温纤维与浓度为20％的二氧化硅溶胶真空浸渍复合制得气凝胶芯层材料，最后将气凝胶芯层与陶瓷面板通过缝合而结合到一起，陶瓷面板与气凝胶芯层厚度比1：10，得到耐高温夹层结构隔热材料。
测试样品性能：耐温1000℃；密度0.60g/cm3(GB/T 6343-2009)；室温导热系数0.05W/m.K(GB/T 10295-2008)；应变性能2300με(ASTM C1341-00)。
实施例2
制备本发明所述的耐高温夹层隔热材料，其中，耐高温陶瓷面板织物由莫来石纱线编织得到，芯层气凝胶由耐高温纤维(氧化铝纤维)与三氧化二铝溶胶复合制得。
首先将厚度为2mm的耐高温面板织物，与45％浓度的溶胶前驱体(三氧化二铝溶胶)通过真空加压浸渍复合制得耐高温陶瓷面板，然后将30％质量比的耐高温纤维与浓度为20％的溶胶真空浸渍复合制得气凝胶芯层材料，最后将气凝胶芯层与陶瓷面板通过缝合而结合到一起。陶瓷面板与气凝胶芯层厚度比1：5.5，得到耐高温夹层结构隔热材料。
测试样品性能：耐温1100℃；密度0.75g/cm3(GB/T 6343-2009)；室温导热系数0.07W/m.K(GB/T 10295-2008)；应变性能3500με(ASTM C1341-00)。
实施例3～10
除了表1中所列内容之外，实施例3～10采用与实施例1相同的方式实施。
比较例1
耐高温陶瓷面板织物由石英纱线编织得到，气凝胶芯层由耐高温纤维(石英纤维)与二氧化硅溶胶复合制得。
首先将厚度为1mm的耐高温面板织物，与40％浓度的二氧化硅溶胶前驱体复合制得耐高温陶瓷面板，然后将15％质量比的耐高温纤维与浓度为20％的二氧化硅溶胶复合制得气凝胶芯层材料，最后将气凝胶芯层与陶瓷面板结合到一起，其中，耐高温面板织物与溶胶前驱体的复合方法、耐高温纤维与溶胶的复合方法以及陶瓷面板与气凝胶芯层的结合方法按照实施例1所述的方法进行。陶瓷面板与气凝胶芯层厚度比1：10，得到耐高温夹层结构隔热材料。
测试样品性能：耐温1000℃；密度0.65g/cm3(GB/T 6343-2009)；室温导热系数0.055W/m.K(GB/T 10295-2008)；应变性能1500με(ASTM C1341-00)。
比较例2
制备本发明所述的耐高温夹层隔热材料，其中，耐高温陶瓷面板织物由莫来石纱线编织得到，气凝胶芯层由耐高温纤维(石英纤维)与二氧化硅溶胶复合制得。
首先将厚度为2mm的耐高温面板织物，与45％浓度的二氧化硅溶胶前驱体复合制得耐高温陶瓷面板，然后将10％质量比的耐高温纤维与浓度为20％的二氧化硅溶胶复合制得气凝胶芯层材料，最后将气凝胶芯层与陶瓷面板结合到一起，其中，耐高温面板织物与溶胶前驱体的复合方法、耐高温纤维与溶胶的复合方法以及陶瓷面板与气凝胶芯层的结合方法按照实施例1所述的方法进行。陶瓷面板与气凝胶芯层厚度比1：5.5，得到耐高温夹层结构隔热材料。
测试样品性能：耐温1100℃；密度0.80g/cm3(GB/T 6343-2009)；室温导热系数0.074W/m.K(GB/T 10295-2008)；应变性能1800με(ASTM C1341-00)。
比较例3和4
除了表1中所列内容之外，比较例3和4采用与实施例1相同的方式实施。

Claims (5)

1.一种改进耐高温夹层结构隔热材料的应变性能的方法，所述耐高温夹层结构隔热材料包括耐高温陶瓷面板和气凝胶芯层，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将耐高温陶瓷面板织物与溶胶前驱体复合，制得所述耐高温陶瓷面板；通过以下方法实现：常压、负压或高压浸渍、刷涂，然后高温或室温溶胶凝胶，最后自然晾干或烘箱干燥；
(2)使耐高温纤维与溶胶复合，制得所述气凝胶芯层；通过以下方法实现：常压、负压或高压浸渍，然后高温或室温溶胶凝胶，最后程序干燥或超临界干燥；
(3)将所述耐高温陶瓷面板与所述气凝胶芯层结合，制得所述耐高温夹层结构隔热材料；所述结合具体包括粘接、缝合、缠绕；
所述耐高温陶瓷面板的厚度为1-2mm；所述溶胶前驱体的浓度为40％-45％；以所述气凝胶芯层的质量计，所述气凝胶芯层中的耐高温纤维的含量为30质量％至45质量％，所述溶胶的浓度为20质量％至25质量％；
所述耐高温陶瓷面板与气凝胶芯层的厚度比为1:(4.5-10)；
所述耐高温夹层结构隔热材料的应变为2500με-4000με，密度为0.6-0.75g/cm3，室温导热系数为0.05-0.074W/(m·K)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述耐高温陶瓷面板织物由陶瓷纱线编织得到，所述陶瓷纱线选自由石英纱线、氧化铝纱线、莫来石纱线组成的组；和/或
制造所述耐高温陶瓷面板所使用的溶胶前驱体为二氧化硅溶胶或三氧化二铝溶胶。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
制造所述气凝胶芯层所使用的溶胶选自由二氧化硅溶胶、三氧化二铝溶胶和二氧化锆溶胶组成的组。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
制造所述气凝胶芯层所使用的耐高温纤维选自石英纤维、氧化铝纤维或莫来石纤维。
5.一种耐高温夹层结构隔热材料，所述耐高温夹层结构隔热材料包括耐高温陶瓷面板和气凝胶芯层，所述耐高温夹层结构隔热材料由权利要求1至4中任一项所述的方法制得。
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