CN108341044A - 一种石英隔热件及制备方法 - Google Patents

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王华栋
张剑
杨小波
吕毅
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Abstract

本发明提出一种石英隔热件及制备方法,由石英承载基体和若干隔热结构组成,石英承载基体上加工若干凹腔,隔热结构固定安装在凹腔中。本发明相比于实心结构石英/石英材料隔热件,最大减重能达到50%,相同厚度下隔热效果提升显著,其承压能力是纤维增强二氧化硅气凝胶块的10倍以上。

Description

—种石英隔热件及制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种石英隔热件及制备方法,属于隔热材料技术领域。
背景技术
[0002]随着超声速武器飞行马赫数、飞行时间的不断提升,飞行器隔热问题日益严峻。为 了保证金属舱体的内部温度维持在较低的水平,金属舱体表面或金属舱体与发动机等高温 热源接触面需要用到大量的隔热材料。近些年,作为一种优质的隔热材料,纤维增强二氧化 硅气凝胶大量应用于需要进行隔热的部位,但其强度低,难以承受较大的载荷,因此某些情 况下采用纤维增强石英复合材料作为替代。 ~~
[0003]相对于气凝胶材料,纤维增强石英复合材料的力学强度是纤维增强气凝胶的10倍 以上,但其密度较大,热导率较高,为了达到较好的防热效果,纤维增强石英复合材料做成 部件时往往需增加厚度,带来质量上的增加。对于高超声速飞行器而言,质量的轻微增加, 往往带来较大的射程损失。
[0004] 为解决上述的问题,一条思路是采用蒙皮夹心结构,纤维增强石英复合材料作为 蒙皮,气凝胶材料作为夹心材料,从一定程度上提高了承载能力,但还未能达到承力结构件 的承载要求。因此,轻质承力隔热件的研制,一直是高超声速飞行器发展过程中需大力解决 的问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术不足,提供一种具有较高力学强度、优异隔热性 能、质量轻的石英隔热件及制备方法。
[0006] 本发明的技术解决方案:一种石英隔热件,由石英承载基体和若干隔热结构组成, 石英承载基体上加工若干凹腔,隔热结构固定安装在凹腔中,所述的凹腔底部壁厚不少于 3mm,相邻凹腔之间的间隔为3〜10mm,单个凹腔面积不大于2〇〇cm2,凹腔总面积占石英承载 基体总面积的50〜80%。
[0007] 在上述要求范围内,增加凹腔的面积占比,在保证承载能力的前提下,有利于提升 隔热件的隔热效果。
[0008] 所述的石英承载基体为石英/石英复合材料。
[0009] 石英/石英复合材料通过机加制造多个相邻的凹腔,相邻凹腔间的石英/石英材料 隔断起加强筋的作用,通过对空腔的设计,使得本发明的石英隔热件既能承受较大载荷又 能保证隔热效果。
[0010] 所述的凹腔可以根据实际需要进行形状设计,可以是方形、圆柱形等便于加工的 形状。
[0011] 所述的石英/石英复合材料通过低密度二氧化硅溶胶浸渍工艺制备,浸渍工艺为 本领域公知技术。 A
[0012] 所述的二氧化硅溶胶为市售工业级二氧化硅溶胶,密度不高于l.Sg/cm3,保证了 溶胶在室温下能有较长保存周期。
[0013]所述的隔热结构为纤维增强二氧化硅气凝胶。
[0014]纤维增强二氧化硅气凝胶制备为本领域公知技术,根据凹腔的大小、深度和形状 来确定纤维增强二氧化硅气凝胶的大小、厚度和形状,隔热结构安装到凹腔中后,保证隔热 结构不能高出凹腔,最好略低于凹腔,避免隔热结构承受加大载荷。
[0015]所述的隔热结构通过无机粘接剂粘接在凹腔内。粘接剂可采用常用的无机粘接 剂,其使用温度要满足隔热结构的使用温度要求。
[0016] 一种石英隔热件制备方法,通过以下步骤实现:
[0017] 第一步,制备石英/石英复合材料,
[0018]将石英纤维织物放置于真空浸溃罐中,真空条件下注入二氧化硅溶胶。浸渍一定 时间后将二氧化硅溶胶从浸渍罐中排出,将织物干燥。利用排出的溶胶重复上述真空浸渍-千燥步骤,直至到达需要的材料密度,将石英/石英材料高温烧结。上述制备过程中二氧化 硅溶胶始终处于循环利用状态,石英/石英材料的密度通过浸渍次数调控。
[0019]第二步,在第一步制备得到的石英/石英复合材料上加工若干凹腔;
[0020]可通过机加在石英/石英复合材料上机加出多个相邻的凹腔,相邻凹腔间的石英/ 石英材料隔断起加强筋的作用。
[0021]第三步,加工与凹腔对应的隔热结构,所述的隔热结构为纤维增强二氧化硅气凝 胶;
[0022]纤维增强二氧化硅气凝胶制备为本领域公知技术。
[0023]第四步,将第三步加工的隔热结构固定安装到凹腔内,得到石英隔热件。
[0024]将对应于凹腔外形的纤维增强二氧化硅气凝胶块通过无机粘接剂粘接在石英/石 英材料机加的凹腔内。
[0025]本发明与现有技术相比的有益效果:
[0026] (1)本发明相比于实心结构石英/石英材料隔热件,最大减重能达到50%,相同厚 度下隔热效果提升显著,其承压能力是纤维增强二氧化硅气凝胶块的10倍以上;
[0027] ⑵本发明结构简单,可以根据具体需要灵活设计形状;
[0028] (3)本发明加工方法简便,充分利用了纤维增强气凝胶热导率低、密度低和石英/ 石英材料力学强度高的优点,制备具有较高力学强度、优异隔热性能的轻质隔热材料。
具体实施方式
[0029]下面结合具体实例对本发明进行详细说明。
[0030] 实施例1
[0031] 1、将体积密度为lg/cm3厚15mm三向正交石英纤维织物放置于真空浸渍罐中,抽真 空至-〇.〇95MPa以下真空度。
[0032] 2、在真空条件下,往罐体中吸注入1.14g/cm3的二氧化硅溶胶,浸渍24h后,将二氧 化硅溶胶放出,坯体80°C干燥2h后,200°C干燥2h。
[OO33] 3、利用排出的二氧化硅溶胶重复步骤1、2,通过控制重复次数可得到密度在1.45- 1 • 70g/cm3的石英/石英材料。最终将石英/石英材料8〇(TC下烧结。
[0034] 4、在石英/石英坯体表面机加出相邻的凹腔。凹腔的深度为10_,单个凹腔面积为 100cm2,凹腔间隔为5mm,凹腔占面积比为50 %。
[0035] 5、根据凹腔制备纤维增强气凝胶。
[0036] 6、在纤维增强气凝胶表面涂抹HIT粘接剂后,与石英/石英材料粘接,室温固化 24h〇
[0037] 7、将轻质隔热件铺覆在模拟舱段上,并与同等厚度实心石英/石英隔热件做对比, 隔热件总体减重30%,相同加热条件下,舱体的温度由15〇°C下降至100°C。将轻质隔热件进 行承压破坏试验,并与同等厚度纤维增强二氧化硅气凝胶隔热件做对比,其承压能力是纤 维增强二氧化硅气凝胶的10倍以上。
[0038] 实施例2
[0039] 1、将体积密度为lg/cm3厚l5mm三向正交石英纤维织物放置于真空浸渍罐中,抽真 空至-0.095MPa以下真空度。
[0040] 2、在真空条件下,往罐体中吸注入1.14g/cm3的二氧化硅溶胶,浸渍24h后,将二氧 化硅溶胶放出,坯体80°C干燥2h后,200°C干燥2h。
[0041] 3、利用排出的二氧化硅溶胶重复步骤1、2,通过控制重复次数可得到密度在丨.45_ 1.70g/cm3的石英/石英材料。最终将石英/石英材料800°C下烧结。
[0042] 4、在石英/石英坯体表面机加出相邻的凹腔。凹腔的深度为12mm,单个凹腔面积为 150cm2,凹腔间隔为3_,凹腔占面积比为75%。
[0043] 5、根据凹腔制备纤维增强气凝胶。
[0044] 6、在纤维增强气凝胶表面涂抹HIT粘接剂后,与石英/石英材料粘接,室温固化 24h〇
[0045] 7、将轻质隔热件铺覆在模拟舱段上,并与同等厚度实心石英/石英隔热件做对比, 隔热件总体减重50%,相同加热条件下,舱体的温度由150°C下降至80°C。将轻质隔热件进 行承压破坏试验,并与同等厚度纤维增强二氧化硅气凝胶隔热件做对比,其承压能力是纤 维增强二氧化硅气凝胶的10倍以上。
[0046] 实施例3
[0047] 1、将体积密度为0.6g/cm3厚15mm针刺结构石英纤维织物放置于真空浸渍罐中,抽 真空至-〇.〇95MPa以下真空度。
[0048] 2、在真空条件下,往罐体中吸注入1.14g/ctn3的二氧化硅溶胶,浸渍24h后,将二氧 化硅溶胶放出,坯体80 °C干燥2h后,200 °C干燥2h。
[0049] 3、利用排出的二氧化硅溶胶重复步骤a、b,最终将石英/石英坯体800 °C烧结。通过 控制重复次数可得到密度在1.35-1.60g/cm3的石英/石英材料。
[0050] 4、在石英/石英坯体表面机加出相邻的凹腔。凹腔的深度为12mm,单个凹腔面积为 100cm2,凹腔间隔为3mm,凹腔占面积比为75 %。
[0051] 5、在纤维增强气凝胶表面涂抹HIT粘接剂后,与石英/石英坯体粘接,室温固化 24h〇
[0052] 6、将轻质隔热件铺覆在模拟舱段上,并与同等厚度实心石英/石英隔热件做对比, 隔热件总体减重50%,相同加热条件下,舱体的温度由150°C下降至75°C。将轻质隔热件进 行承压破坏试验,并与同等厚度纤维增强二氧化硅气凝胶隔热件做对比,其承压能力是纤 维增强二氧化硅气凝胶的10倍以上。
[0053] 本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1. 一种石英隔热件,其特征在于:由石英承载基体和若干隔热结构组成,石英承载基体 上加工若千凹腔,隔热结构固定安装在凹腔中,凹腔总面积占石英承载基体总面积的50〜 80%。
2. 根据权利要求1所述的一种石英隔热件,其特征在于:所述的凹腔底部壁厚不少于 3mm,相邻凹腔之间的间隔不低于3mm,单个凹腔面积不大于200cm2。
3. 根据权利要求1所述的一种石英隔热件,其特征在于:所述的相邻凹腔之间的间隔为 3〜10mm〇
4. 根据权利要求1所述的一种石英隔热1件,其特征在于:所1述的隔热1结构高度小于'凹月空 的深度。
5. 根据权利要求1所述的一种石英隔热件,其特征在于:所述的石英承载基体为石英/ 石英复合材料。
6. 根据权利要求1所述的一种石英隔热件,其特征在于:所述的二氧化桂溶胶密度不高 于1.3g/cm3。
7. 根据权利要求1所述的一种石英隔热件,其特征在于:所述的隔热结构为纤维增强二 氧化硅气凝胶。
8. —种权利要求1所述的石英隔热件的制备方法,其特征在于,通过以下步骤实现: 第一步,制备石英/石英复合材料; 第二步,在第一步制备得到的石英/石英复合材料上加工若干凹腔; 第三步,加工与凹腔对应的隔热结构,所述的隔热结构为纤维增强二氧化硅气凝胶; 第四步,将第三步加工的隔热结构固定安装到凹腔内,得到石英隔热件。
9. 根据权利要求8所述的一种石英隔热件的制备方法,其特征在于:所述第四步中纤维 增强二氧化硅气凝胶块通过无机粘接剂粘接在石英/石英材料上的凹腔内。
10. 根据权利要求8所述的一种石英隔热件的制备方法,其特征在于:所述第二步中凹 腔底部壁厚不少于3mm,相邻凹腔之间的间隔不低于3mm,单个凹腔面积不大于2〇〇cm2。
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