CN108395265A - 航空发动机隔热屏材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种航空发动机隔热屏材料，隔热屏材料是在陶瓷基复合材料中加入盐类物质制备而成；其中，陶瓷基复合材料为SiC/SiC陶瓷基复合材料，盐类物质为无机盐，无机盐优选为锌硼硅酸盐。本发明提供的航空发动机隔热屏材料，通过在陶瓷基复合材料中加入锌硼硅酸盐，可以降低隔热屏材料的导热系数，实现隔热屏高温端的有效隔热，并且锌硼硅酸盐具有自愈合作用，即实现高温下形成流动态玻璃封填裂纹的作用；从而使其制备得到的隔热屏能够更好的满足发动机尤其是高性能航空发动机的需求。

Description

航空发动机隔热屏材料
技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种航空发动机隔热屏材料。
背景技术
高温隔热屏主要由高温覆盖层、反射屏、间隔层等组成。其中高温覆盖层面向发动机，低温面安装在被防护的结构件上根据材料的使用温度范围，可将隔热屏设计为高温、中温和低温3部分。其中高温部分常采用的材料为高温陶瓷基结构复合材料，但由于陶瓷基复合材料导热率较高，容易引起热传导，极大的限制了陶瓷基复合材料在隔热屏上的应用和发展，为了实现高温下隔热屏传热的减少，还需要对陶瓷基复合材料进行导热性改性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种隔热屏材料，以通过在陶瓷基复合材料中加入锌硼硅酸盐，可以降低隔热屏材料的导热系数，并且锌硼硅酸盐具有自愈合作用，即实现高温下形成流动态玻璃封填裂纹的作用。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
第一方面，本发明提供了一种隔热屏材料，隔热屏材料是在陶瓷基复合材料中加入盐类物质制备而成；其中，盐类物质为无机盐。优选地，无机盐均匀分布在陶瓷基复合材料中。
优选地，陶瓷基复合材料为SiC/SiC陶瓷基复合材料。具体地，碳化硅纤维弹性模量为：215GPa，热导率11.63W/(m·K)，热膨胀系数3.4MK-1，泊松比0.15，密度2.55g/cm3。碳化硅弹性模量为：450GPa，热导率41.9W/(m·K)，热膨胀系数4.4MK-1，泊松比0.2，密度3.06g/cm3。
优选地，无机盐为硼酸盐和/或硅酸盐。进一步优选地，硼酸盐为锌硼酸盐；硅酸盐为锌硅酸盐，锌硼硅酸盐为ZnO-B2O3-SiO2；其中，ZnO、B2O3和SiO2的摩尔比为4:2:4。
优选地，无机盐为锌硼硅酸盐。具体地，锌硼硅酸盐弹性模量为：72GPa,热导率1.4W/(m·K)，热膨胀系数0.5MK-1，泊松比0.2，密度2.2g/cm3。
优选地，无机盐优选为锌硼硅酸盐的体积是隔热屏材料的体积的6％～10％。进一步优选地，无机盐的体积优选为隔热屏材料的体积的6％。无机盐优选弥散分布(均匀分布)在隔热屏材料中。
优选地，隔热屏材料的导热系数为36～37W/(m·k)。SiC/SiC复合材料的导热系数为40.98W/(m·k)，加入硼硅酸盐后，碳化硅基体的导热系数从降低到了36.55W/(m·k)，下降了10.8％，有利的减小了基体的内部的传热；说明本发明提供的技术方案可以降低陶瓷基复合材料基体的传热过程，实现隔热屏高温端的有效隔热。
本发明还保护隔热屏材料在制备发动机隔热屏中的应用。将本发明提供的隔热屏材料应用于制备发动机尤其是航空发动机隔热屏，可以显著降低隔热屏的导热系数，实现隔热屏高温端的有效隔热。
本发明还保护隔热屏材料在制备航空发动机隔热屏中的应用。
本发明提供的技术方案，具有如下的有益效果：本发明提供的航空发动机隔热屏材料，通过在陶瓷基复合材料中加入锌硼硅酸盐，可以降低隔热屏材料的导热系数，实现隔热屏高温端的有效隔热，并且锌硼硅酸盐具有自愈合作用，即实现高温下形成流动态玻璃封填裂纹的作用；从而使其制备得到的隔热屏能够更好的满足发动机尤其是高性能航空发动机的需求。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例一中的SiC/SiC复合材料微观模型内部结构示意图；
图2为本发明实施例一中的SiC/SiC复合材料微观模型外部结构示意图；
图3为本发明实施例一中的SiC/SiC复合材料微观模型网格划分示意图；
图4为本发明实施例一中的SiC/SiC复合材料微观模型载荷施加示意图；
图5为本发明实施例一中的SiC/SiC复合材料微观模型温度分布云图；
图6为本发明实施例二中的SiC/SiC复合材料隔热屏模型示意图；
图7为本发明实施例二中的SiC/SiC复合材料隔热屏模型网格划分示意图；
图8为本发明实施例二中的SiC/SiC复合材料隔热屏模型载荷施加示意图；
图9为本发明实施例二中的未改性SiC/SiC复合材料隔热屏模型温度分布图；
图10为本发明实施例二中的不同SiC/SiC复合材料隔热屏模型的温度分布曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
实施例一
本实施例提供一种航空发动机隔热屏材料，隔热屏材料是在SiC/SiC陶瓷基复合材料中加入锌硼硅酸盐制备而成，锌硼硅酸盐的体积是隔热屏材料的体积的6％；并且锌硼硅酸盐弥散均匀分布在SiC/SiC陶瓷基复合材料中。
针对该实施例，发明人通过有限元分析软件ANSYS模拟计算出了隔热屏材料的等效导热系数，验证了加入锌硼硅酸盐后陶瓷基复合材料传热的减小。
模拟过程具体包括如下步骤：
(1)选择单元：solid 70。
(2)输入材料属性：碳化硅纤维弹性模量为：215GPa，热导率11.63W/(m·K)，热膨胀系数3.4MK-1，泊松比0.15，密度2.55g/cm3。碳化硅弹性模量为：450GPa，热导率41.9W/(m·K)，热膨胀系数4.4MK-1，泊松比0.2，密度3.06g/cm3。锌硼硅酸盐弹性模量为：72GPa，热导率1.4W/(m·K)，热膨胀系数0.5MK-1，泊松比0.2，密度2.2g/cm3。
(3)建模：在5×5×6的长方体中包含一个小圆柱，小圆柱形的轴线和中心与外面大长方体相同，尺寸为半径为1，高为3，底部与长方体的面共面，以小圆柱体近似模拟弥散分布的锌硼硅酸盐，同时在长方形的一条棱出有一个与该棱共轴线的1/4圆柱体，半径为1，高为6，两侧端面与长方体的面共面，代表碳化硅纤维。该模型符合锌硼硅酸盐的体积分数为6％。图1为SiC/SiC复合材料微观模型内部结构；图2为SiC/SiC复合材料微观模型外部结构。
(4)划分网格：对SiC/SiC复合材料微观模型网格划分，具体划分网格后的示意图如图3所示。
(5)施加载荷：温度载荷Z＝0的面温度约束为25℃，Z＝6的面温度约束为30℃，在Z＝0，6的两个面分别施加对流载荷，对流系数为40；施加后的示意图如图4所示。
(6)求解，得到温度分布云图，如图5所示。通过节点列表和温度-节点列表找出Z＝5的表面的温度为T5＝1372.3℃。
通过公式：
其中，Q为热流量，λ为导热系数，A为横截面，ΔT为温度差，l为长度。
由于模型Z＝0的面温度为1400℃，Z＝6面的温度为1350℃，且通过从底面到顶面的任何一个截面的热流量都恒定，所以通过整个模型的热流量等于通过Z＝3到Z＝6(顶面)的内部的热流量，而Z＝3到Z＝6(顶面)的区域的导热系数恒定为41.9(碳化硅基体和碳化硅纤维的综合导热系数)，所以可以计算出整个模型的等效导热系数为：
而未加入硼硅酸盐时，复合材料的导热系数为0.0341λSiCf+0.9686λSiC＝40.98W/(m·k)。
即加入硼硅酸盐后碳化硅基体的导热系数从40.98W/(m·k)降低到了36.55W/(m·k)，下降了10.8％，有利的减小了基体的内部的传热。
通过上述模拟，分别计算出了添加体积分数为6％硼硅酸盐的多元多层自愈合陶瓷基复合材料的基体，下降了10.8％，说明本发明可以降低陶瓷基复合材料基体的传热过程，实现隔热屏高温端的有效隔热。
实施例二
将未改性的SiC/SiC复合材料和硼硅酸盐改性后的SiC/SiC复合材料(本发明实施例一提供的隔热屏材料)分别建立隔热屏模型，研究两者的隔热效果的差异。
其中未改性的SiC/SiC复合材料和改性后的SiC/SiC复合材料的参数设置为：弹性模量均为：103GPa，热膨胀系数均4.0MK-1，泊松比均0.149，密度均2.14g/cm3。热导率分别为40.98W/(m·K)和36.55W/(m·K)。
模型建立：建立圆柱形模型，其中内外径分别为20、22，高为30，具体模型示意图如图6所示。
网格划分：使用尺寸为4的solid45号单元对模型进行网格划分，具体划分网格后的示意图如图7所示。
施加载荷：温度载荷X＝0内壁面温度约束为1400℃，在X＝0，22的两个面(内外壁面)分别施加对流载荷，对流系数为40；施加后的示意图如图8所示。
图9为温度分布图(以未改性SiC/SiC复合材料为例)，可以看出温度沿着内壁朝X轴方向向外壁逐渐温度降低，所以可以通过分析未改性的SiC/SiC复合材料和改性SiC/SiC复合材料从内壁沿着X轴到外壁方向的温度分布曲线的对比得到两种材料的隔热效果的不同。
图10为不同SiC/SiC复合材料隔热屏模型的温度分布曲线图，其中A代表未改性SiC/SiC复合材料隔热屏，B代表改性后SiC/SiC复合材料隔热屏。从图10可以看出，未改性前的SiC/SiC复合材料隔热屏在内壁为1400℃时，传导到外壁的温度为800℃，而引入硼硅酸盐后外壁的温度降到了424.61℃，温度下降了46.9％，大幅度降低了热传导，实现了有效隔热。
综上所述，通过在SiC/SiC陶瓷基复合材料引入硼硅酸盐后，材料的导热系数下降了10.8％，当内壁温度为1400℃时，外壁温度下降了46.9％，实现了隔热性能的有效提高。
本发明提供的航空发动机隔热屏材料，通过在陶瓷基复合材料中加入锌硼硅酸盐，可以降低隔热屏材料的导热系数，实现隔热屏高温端的有效隔热，并且锌硼硅酸盐具有自愈合作用，即实现高温下形成流动态玻璃封填裂纹的作用；从而使其制备得到的隔热屏能够更好的满足发动机尤其是高性能航空发动机的需求。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。在这里示出和描述的所有示例中，除非另有规定，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种隔热屏材料，其特征在于：
所述隔热屏材料是在陶瓷基复合材料中加入盐类物质制备而成；
其中，所述盐类物质为无机盐。
2.根据权利要求1所述的隔热屏材料，其特征在于：
所述陶瓷基复合材料为SiC/SiC陶瓷基复合材料。
3.根据权利要求1所述的隔热屏材料，其特征在于：
所述无机盐为硼酸盐和/或硅酸盐。
4.根据权利要求3所述的隔热屏材料，其特征在于：
所述硼酸盐为锌硼酸盐；所述硅酸盐为锌硅酸盐。
5.根据权利要求1所述的隔热屏材料，其特征在于：
所述无机盐为锌硼硅酸盐，所述锌硼硅酸盐为ZnO-B2O3-SiO2；其中，ZnO、B2O3和SiO2的摩尔比为4:2:4。
6.根据权利要求1所述的隔热屏材料，其特征在于：
所述无机盐的体积是所述隔热屏材料的体积的6％～10％。
7.根据权利要求1所述的隔热屏材料，其特征在于：
所述无机盐的体积是所述隔热屏材料的体积的6％。
8.根据权利要求1所述的隔热屏材料，其特征在于：
所述隔热屏材料的导热系数为36～37W/(m·k)。
9.权利要求1-7中任一项所述的隔热屏材料在制备发动机隔热屏中的应用。
10.权利要求1-7中任一项所述的隔热屏材料在制备航空发动机隔热屏中的应用。
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