CN106915128A - 超高温梯度隔热材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高温梯度隔热材料的制备方法，其中超高温梯度隔热材料包括：超高温隔热材料层；相变吸热隔热材料层，位于超高温隔热材料层的外侧；中温隔热层，位于相变吸热隔热材料层的外侧；低温隔热层，位于中温隔热层的外侧；辐射屏蔽层，分别设于超高温隔热材料层、相变吸热隔热材料层、中温隔热层和低温隔热层相邻两层之间以及设于低温隔热层的外侧；方法包括如下步骤：根据应用环境，利用传热理论确定各隔热材料层的具体材料和厚度；根据确定的材料制备相应厚度的各隔热材料层；将各隔热材料层采用胶黏剂粘合，然后通过压力成形和高温处理复合为一体，得到超高温梯度隔热材料。本发明的超高温梯度隔热材料具有耐超高温的特点。

Description

超高温梯度隔热材料的制备方法
本申请为分案申请，原申请的申请日为2015年01月15日，申请号为2015100209628，发明名称为超高温梯度隔热材料及其制备方法。
技术领域
本发明涉及隔热材料技术领域，尤其涉及一种超高温梯度隔热材料及其制备方法。
背景技术
随着航空航天技术的迅猛发展，热防护系统和材料已成为制约飞行器研发能否成功的最重要的关键技术之一。随着飞行马赫数的不断提高，对热防护材料的使用温度的要求越来越高，工作时，燃烧室外壁的温度高达2000K以上，为了保护发动机金属壳体及其周边的电子设备，同时减少热量的散耗及其带来的明显的红外信号特征，燃烧室外壁采用超高温隔热材料进行热防护。
现有的火箭发动机所用耐热防护材料，一般为石墨布/酚醛、碳布/酚醛、高硅氧布/酚醛、玻璃布/酚醛，绝热层材料常为玻璃纤维、高硅氧或石棉增强的酚醛或环氧树脂，及石棉或二氧化硅填充的丁腈橡胶和三元已丙橡胶等。但此类耐热防护材料耐温较低。
随着航空航天技术的发展，耐温更高等级的热防护材料逐渐开发出来，其中ZrC/气凝胶和树脂聚合物叠层复合材料耐温较高，但是该材料具有长时间使用隔热性能下降的缺点。还有采用了氧化锆类材料，但是该材料具有高温下辐射传热较严重的缺点。
由此可见，现有的热防护材料耐温低，约为1800-2000K，使用时间短，约几十秒到400秒左右，已不能满足高速飞行器高马赫数、长时间的飞行需要。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种超高温梯度隔热材料及其制备方法，主要目的是提高耐温温度，延长使用时间。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种超高温梯度隔热材料，包括：
超高温隔热材料层，其位于高温一侧；
相变吸热隔热材料层，位于超高温隔热材料层的外侧；
中温隔热层，位于相变吸热隔热材料层的外侧；
低温隔热层，位于中温隔热层的外侧；
辐射屏蔽层，分别设于超高温隔热材料层、相变吸热隔热材料层、中温隔热层和低温隔热层相邻两层之间以及设于低温隔热层的外侧，所述辐射屏蔽层用于阻挡红外辐射；
上述各层复合为一体。
作为优选，所述超高温隔热材料层的材料为碳纤维/氧化锆纤维超高温隔热材料、氧化锆纤维超高温隔热材料、碳纤维毡或超细孔炭材料。
作为优选，所述相变吸热隔热材料层的材料为氟化镍高温相变材料、氟化镁相变材料或碳酸盐中温相变材料。
作为优选，所述中温隔热层的材料为氧化铝纤维隔热材料、莫来石纤维隔热材料、石英纤维隔热材料、硅酸钙隔热材料或高硅氧纤维隔热材料。
作为优选，所述低温隔热层的材料为氧化硅气凝胶隔热材料、硅酸铝纤维隔热材料、岩棉或超细玻璃棉。
作为优选，所述辐射屏蔽层的材料为钼箔、铝箔、石墨纸或金箔。
作为优选，所述超高温隔热材料层厚度为2-20mm；所述相变吸热隔热材料层的厚度为2-10mm；所述中温隔热层的厚度为2-30mm；所述低温隔热层的厚度为2-40mm；所述辐射屏蔽层的厚度为0.01-0.5mm。
作为优选，所述各层之间通过胶黏剂粘合，然后通过压力成形和高温处理复合为一体。
作为优选，所述胶黏剂选自磷酸铝系胶黏剂、磷酸铬铝系高温粘结剂、铝溶胶系胶黏剂和硅溶胶系中温粘结剂。
作为优选，所述超高温隔热材料层至相变吸热隔热层之间采用高温粘结剂连接；相变吸热隔热层至最外侧的辐射屏蔽层之间采用中温粘结剂粘结。
另一方面，本发明实施例提供了一种上述任一种超高温梯度隔热材料的制备方法，包括如下步骤：
根据应用环境，利用传热理论确定各隔热材料层的具体材料和厚度；
根据确定的材料制备相应厚度的各隔热材料层；
将各隔热材料层采用胶黏剂连接起来，然后通过压力成形和高温处理复合为一体，得到超高温组合隔热材料。
作为优选，各隔热材料层复合为一体的步骤如下：
采用刷涂或喷涂，在各层之间涂覆粘结剂；
压力成形的压力范围为0.1MPa～5MPa之间，高温处理的温度在50℃～400℃之间，处理时间为2h～24h。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明实施例的超高温梯度隔热材料耐温2300-2500K。防护使用时间可达2500秒。本发明生产周期短，约2～3周即可完成选材、制备及成型。本发明实施例的超高温梯度隔热材料在超高温条件下原材料的选择范围更广。
附图说明
图1是本发明实施例的超高温梯度隔热材料的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
图1是本发明实施例的超高温梯度隔热材料的结构示意图。如图1所示，超高温梯度隔热材料，结构如下：
超高温隔热材料层1，其位于高温一侧；
相变吸热隔热材料层2，位于超高温隔热材料层1的外侧；
中温隔热层3，位于相变吸热隔热材料层2的外侧；
低温隔热层4，位于中温隔热层3的外侧；
辐射屏蔽层5，分别设于超高温隔热材料层1、相变吸热隔热材料层2、中温隔热层3和低温隔热层4相邻两层之间，以及设于低温隔热层4的外侧，辐射屏蔽层5用于阻挡红外辐射；
上述各层复合为一体。
本发明实施例的超高温组合隔热材料考虑到将内部的高于2200℃的高温阻隔到外表面温度低温的要求，将接触高温端的一侧设置为能够经受住2200℃的高温的超高温隔热材料层，使其外侧的温度能够降至1000℃以下。通过在超高温隔热材料层的外侧设置相变吸热隔热材料层使温度迅速降低，这样再设置较低耐温的隔热材料层即可实现对超高温的隔热效果。并且通过设置辐射屏蔽层有效阻隔红外辐射。本发明实施例中将多个隔热材料层复合为一体形成新的隔热材料，通过各层不同的耐温性能和导热率，在整体上达到既耐高温，又具有低的平均导热率，满足整体隔热要求。其中超高温隔热材料层耐温达到3000℃；相变吸热隔热材料层耐温在2000℃以下即可；中温隔热层耐温在2000℃以下；低温隔热层耐温在1400℃以下。这样，外层的隔热材料层就具有更多的可选择性。
实施例1
根据应用环境，利用传热理论确定各隔热材料层的具体材料和厚度；根据确定的材料制备相应厚度的各隔热材料层；将各隔热材料层采用胶黏剂连接起来，得到超高温组合隔热材料。
通过上述步骤确定的超高温组合隔热材料的各层所用材料及厚度如下：超高温隔热材料层所用材料为碳纤维/氧化锆纤维超高温隔热材料，厚度为2mm；相变吸热隔热材料层采用氟化镁相变材料，厚度为2mm；中温隔热层所用材料为氧化铝纤维隔热材料，厚度为10mm；低温隔热层所用材料为氧化硅气凝胶隔热材料，厚度为15mm；辐射屏蔽层所用材料为钼箔，厚度为0.02mm。其中超高温隔热材料层与相变吸热隔热材料层之间用磷酸铝系高温粘结剂粘结，相变吸热隔热层与中温隔热层之间、中温隔热层与低温隔热层之间以及低温隔热层与辐射屏蔽层之间采用铝溶胶低温粘结剂粘结。其中粘结剂采用刷涂或喷涂。采用加压和高温处理工艺将材料复合为一体，然后在0.1MPa～5MPa的压力下压力成形，成形后在50℃～400℃的温度下进行高温处理，处理时间为2h～24h。
实施例2
本实施例与实施例1不同在于，超高温组合隔热材料的各层所用材料及厚度如下：超高温隔热材料层的厚度为2mm；相变吸热隔热材料层的厚度为10mm；中温隔热层的厚度为30mm；低温隔热层所用材料为硅酸铝纤维隔热材料，厚度为40mm；辐射屏蔽层所用材料为铝箔，厚度为0.01mm。其中超高温隔热材料层与相变吸热隔热材料层之间用磷酸铝系高温粘结剂粘结，相变吸热隔热层与中温隔热层之间、中温隔热层与低温隔热层之间以及低温隔热层与辐射屏蔽层之间采用硅溶胶低温粘结剂粘结。
实施例3
本实施例与实施例1不同在于，超高温组合隔热材料的各层所用材料及厚度如下：超高温隔热材料层所用材料为氧化锆纤维超高温隔热材料，厚度为2mm；相变吸热隔热材料层采用氟化镍相变材料，厚度为10mm；中温隔热层所用材料为莫来石纤维隔热材料，厚度为2mm；低温隔热层所用材料为氧化硅气凝胶隔热材料，厚度为2mm；辐射屏蔽层所用材料为金箔，厚度为0.1mm。其中超高温隔热材料层与相变吸热隔热材料层之间用磷酸铝系高温粘结剂粘结，相变吸热隔热层与中温隔热层之间、中温隔热层与低温隔热层之间以及低温隔热层与辐射屏蔽层之间采用铝溶胶低温粘结剂粘结。
实施例4
本实施例与实施例1不同在于，超高温组合隔热材料的各层所用材料及厚度如下：超高温隔热材料层所用材料为碳纤维/氧化锆纤维超高温隔热材料，厚度为10mm；相变吸热隔热材料层采用氟化镁相变材料，厚度为8mm；中温隔热层所用材料为氧化铝纤维隔热材料，厚度为10mm；低温隔热层所用材料为氧化硅气凝胶隔热材料，厚度为15mm；辐射屏蔽层所用材料为钼箔，厚度为0.025mm。其中超高温隔热材料层与相变吸热隔热材料层之间用磷酸铝系高温粘结剂粘结，相变吸热隔热层与中温隔热层之间、中温隔热层与低温隔热层之间以及低温隔热层与辐射屏蔽层之间采用铝溶胶低温粘结剂粘结。
实施例5
本实施例与实施例1不同在于，超高温组合隔热材料的各层所用材料及厚度如下：超高温隔热材料层所用材料为碳纤维毡，厚度为10mm；相变吸热隔热材料层采用碳酸盐相变材料，厚度为10mm；中温隔热层所用材料为石英纤维隔热材料，厚度为10mm；低温隔热层所用材料为岩棉隔热材料，厚度为2mm；辐射屏蔽层所用材料为石墨纸，厚度为0.2mm。其中超高温隔热材料层与相变吸热隔热材料层之间用磷酸铝系高温粘结剂粘结，相变吸热隔热层与中温隔热层之间、中温隔热层与低温隔热层之间以及低温隔热层与辐射屏蔽层之间采用硅溶胶低温粘结剂粘结。
实施例6
本实施例与实施例1不同在于，超高温组合隔热材料的各层所用材料及厚度如下：超高温隔热材料层所用材料为超细孔炭材料，厚度为10mm；相变吸热隔热材料层采用氟化镁相变材料，厚度为8mm；中温隔热层所用材料为硅酸钙隔热材料，厚度为5mm；低温隔热层所用材料为岩棉隔热材料，厚度为40mm；辐射屏蔽层所用材料为石墨纸，厚度为0.3mm。其中超高温隔热材料层与相变吸热隔热材料层之间用磷酸铝系高温粘结剂粘结，相变吸热隔热层与中温隔热层之间、中温隔热层与低温隔热层之间以及低温隔热层与辐射屏蔽层之间采用硅溶胶低温粘结剂粘结。
实施例7
本实施例与实施例1不同在于，超高温组合隔热材料的各层所用材料及厚度如下：超高温隔热材料层所用材料为碳纤维毡，厚度为40mm；相变吸热隔热材料层采用碳酸盐相变材料，厚度为10mm；中温隔热层所用材料为高硅氧纤维隔热材料，厚度为6mm；低温隔热层所用材料为超细玻璃棉隔热材料，厚度为20mm；辐射屏蔽层所用材料为铝箔，厚度为0.03mm。其中超高温隔热材料层与相变吸热隔热材料层之间用磷酸铝系高温粘结剂粘结，相变吸热隔热层与中温隔热层之间、中温隔热层与低温隔热层之间以及低温隔热层与辐射屏蔽层之间采用铝溶胶低温粘结剂粘结。
实施例8
本实施例与实施例1不同在于，超高温组合隔热材料的各层所用材料及厚度如下：超高温隔热材料层所用材料为氧化锆纤维超高温隔热材料，厚度为10mm；相变吸热隔热材料层采用氟化镁相变材料，厚度为8mm；中温隔热层所用材料为氧化铝纤维隔热材料，厚度为10mm；低温隔热层所用材料为硅酸铝纤维隔热材料，厚度为20mm；辐射屏蔽层所用材料为金箔，厚度为0.03mm。其中各层之间均用磷酸铝系高温粘结剂粘结。
实施例9
本实施例与实施例1不同在于，超高温组合隔热材料的各层所用材料及厚度如下：超高温隔热材料层所用材料为超细孔炭材料，厚度为10mm；相变吸热隔热材料层采用氟化镍相变材料，厚度为10mm；中温隔热层所用材料为硅酸钙隔热材料，厚度为5mm；低温隔热层所用材料为氧化硅气凝胶隔热材料，厚度为20mm；辐射屏蔽层所用材料为钼箔，厚度为0.1mm。其中超高温隔热材料层与相变吸热隔热材料层之间用磷酸铝系高温粘结剂粘结，相变吸热隔热层与中温隔热层之间、中温隔热层与低温隔热层之间以及低温隔热层与辐射屏蔽层之间采用硅溶胶低温粘结剂粘结。
实施例10
本实施例与实施例1不同在于，超高温组合隔热材料的各层所用材料及厚度如下：超高温隔热材料层所用材料为氧化锆纤维超高温隔热材料，厚度为10mm；相变吸热隔热材料层采用氟化镁相变材料，厚度为8mm；中温隔热层所用材料为硅酸钙隔热材料，厚度为5mm；低温隔热层所用材料为岩棉隔热材料，厚度为40mm；辐射屏蔽层所用材料为石墨纸，厚度为0.1mm。其中超高温隔热材料层与相变吸热隔热材料层之间用磷酸铝系高温粘结剂粘结，相变吸热隔热层与中温隔热层之间、中温隔热层与低温隔热层之间以及低温隔热层与辐射屏蔽层之间采用铝溶胶低温粘结剂粘结。
上述实施例中各隔热材料层的制备过程如下：
其中碳纤维/氧化锆纤维超高温隔热材料或氧化锆纤维超高温隔热材料加去离子水混合搅拌进行纤维分散，然后抽滤成形和高温热处理得到。超细孔炭材料纤维与烧结助剂共混、高温烧结得到。碳纤维毡通过碳纤维编织成毯，或有机先驱体制备后发泡或超临界干燥等。
相变吸热隔热材料层的制备：相变物质的熔炼，熔炼后得到的相变颗粒的粉碎，粉碎后的相变材料与基体材料和增强纤维共混，然后经过压力成形，高温烧结即得。
中温隔热层的制备：纤维用去离子水分散，抽滤成形，高温热处理得到，或动态水热合成料浆后压滤、干燥成形得到。
低温隔热层的制备可采用与中温隔热层相同的方法。
本发明实施例中，碳纤维/氧化锆纤维超高温隔热材料制成的超高温隔热材料层为半刚性材料，耐温2500℃，密度为0.2-1.2g/cm3，导热系数为0.02-0.2W/m·K；氧化锆纤维超高温隔热材料制成的超高温隔热材料层为刚性材料，耐温2500℃，密度为0.2-1.8g/cm3，导热系数为0.02-0.2W/m·K；碳纤维毡制成的超高温隔热材料层为柔性材料，耐温3000℃，密度为0.1-1.2g/cm3，导热系数为0.05-0.5W/m·K；超细孔炭材料制成的超高温隔热材料层为刚性材料，耐温3000℃，密度为0.1-1.2g/cm3，导热系数为0.05-0.5W/m·K。氟化镁相变材料、氟化镍相变材料及碳酸盐相变材料制成的相变吸热隔热材料层，密度为0.2-3.0g/cm3，导热系数为0.05-0.5W/m·K。中温隔热层所用材料为氧化铝纤维隔热材料、莫来石纤维隔热材料、石英纤维隔热材料、硅酸钙隔热材料以及高硅氧纤维隔热材料等，可以是刚性材料，也可以是柔性材料。低温隔热层所用材料为氧化硅气凝胶隔热材料、硅酸铝纤维隔热材料、岩棉以及超细玻璃棉等，可以是刚性材料，也可以是柔性材料。钼箔，铝箔，石墨纸或金箔等为一定幅宽的箔片材料，厚度为0.01-0.5mm。
本发明实施例的超高温组合隔热材料的性能指标见下表1。其中隔热性能参照GB/T17911.3-1999耐火陶瓷纤维制品体积密度试验方法，YB/T4130-2005水流量平板法。
表1
通过表1可以看出，本发明实施例的超高温组合隔热材料整体具有较高的隔热性，并且通过合理设置层结构，其外层的隔热材料就具有更多的可选择性，无论从原料取得及成本等方面均有较大的优势。本发明实施例的超高温组合隔热材料整体表现为半刚性，密度为0.20-2.0g/cm3，导热系数为0.02W/m·K-0.12W/m·K，耐温最高可达2200℃。防护使用时间可达2500秒。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.超高温梯度隔热材料的制备方法，所述超高温梯度隔热材料包括：
超高温隔热材料层，其位于高温一侧，所述超高温隔热材料层的材料为碳纤维/氧化锆纤维超高温隔热材料、氧化锆纤维超高温隔热材料、碳纤维毡或超细孔炭材料；
相变吸热隔热材料层，位于超高温隔热材料层的外侧；
中温隔热层，位于相变吸热隔热材料层的外侧；
低温隔热层，位于中温隔热层的外侧；
辐射屏蔽层，分别设于超高温隔热材料层、相变吸热隔热材料层、中温隔热层和低温隔热层相邻两层之间以及设于低温隔热层的外侧，所述辐射屏蔽层用于阻挡红外辐射；
所述方法包括如下步骤：
根据应用环境，利用传热理论确定各隔热材料层的具体材料和厚度；
根据确定的材料制备相应厚度的各隔热材料层；
将各隔热材料层采用胶黏剂粘合，然后通过压力成形和高温处理复合为一体，得到超高温梯度隔热材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，各隔热材料层复合为一体的步骤如下：
采用刷涂或喷涂，在各层之间涂覆粘结剂；
压力成形的压力范围为0.1MPa～5MPa之间，高温处理的温度在50℃～400℃之间，处理时间为2h～24h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述相变吸热隔热材料层的材料为氟化镍高温相变材料、氟化镁相变材料或碳酸盐中温相变材料。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述中温隔热层的材料为氧化铝纤维隔热材料、莫来石纤维隔热材料、石英纤维隔热材料、硅酸钙隔热材料或高硅氧纤维隔热材料。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述低温隔热层的材料为氧化硅气凝胶隔热材料、硅酸铝纤维隔热材料、岩棉或超细玻璃棉。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述辐射屏蔽层的材料为钼箔、铝箔、石墨纸或金箔。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述超高温隔热材料层厚度为2-20mm；所述相变吸热隔热材料层的厚度为2-10mm；所述中温隔热层的厚度为2-30mm；所述低温隔热层的厚度为2-40mm；所述辐射屏蔽层的厚度为0.01-0.5mm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述各层之间通过胶黏剂粘合，然后通过压力成形和高温处理复合为一体。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述胶黏剂选自磷酸铝系胶黏剂、磷酸铬铝系高温粘结剂、铝溶胶系胶黏剂和硅溶胶系中温粘结剂。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述超高温隔热材料层至相变吸热隔热层之间采用高温粘结剂连接；相变吸热隔热层至最外侧的辐射屏蔽层之间采用中温粘结剂粘结。
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