CN109455316B - 一种柔性热防护结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柔性热防护结构，属于热防护技术领域，包括层叠的耐热层2和隔热层3，其特征在于，所述隔热层3包括依次层叠的导热层301、第一铺层302、金属箔层303和第二铺层304，所述导热层301为石墨纸或金属箔，所述第一铺层302为第一氧化铝纤维棉，所述第二铺层304为第二氧化铝纤维棉或金属氧化物气凝胶。该结构在承受热流达15w/m2到时，能够保证整个防热层有效隔热，不被高热流气流破坏。

Description

一种柔性热防护结构
技术领域
本发明涉及一种柔性热防护结构，属于热防护技术领域。
背景技术
随着航空航天事业的高速发展，航天器进入大气所受气动热也越来越严重，热防护技术也一直都是航天器研制的关键技术，传统热防护结构一般都是分布在航天器结构表面，其有效的阻力面积与航天器阻力面积类似，而且传统热防护结构质量一般比较大，增加了航天器发射及回收的成本。
柔性热防护结构具有质量轻，可以折叠包装，占有空间小，在需要减速的时候又能展开，可以大大增加阻力面积，提前减速，从而降低气动热载荷。如图1所示，目前，国内外主要柔性热防护材料通常包括层叠粘接的耐热层2和隔热层3，所述隔热层3通常为具备优良隔热性能的氧化铝气凝胶，耐热层2通常由陶瓷纤维制成的织物。
如图1所示，热流能够通过耐热层2的空隙进入隔热层。现有柔性热防护结构，当热流密度达到15w/m2时，进入到隔热层3中的热流破坏氧化铝气凝胶结构。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种柔性热防护结构，该结构在承受热流达15w/m2到时，能够保证整个防热层有效隔热，不被高热流气流破坏。
为实现以上发明目的，本发明包括如下技术方案：
一种柔性热防护结构，包括层叠的耐热层2和隔热层3，所述隔热层3包括依次层叠的导热层301、第一铺层302、金属箔层303和第二铺层304，所述导热层301为石墨纸或金属箔，所述第一铺层302为第一氧化铝纤维棉，所述第二铺层304为第二氧化铝纤维棉或金属氧化物气凝胶。
在一可选实施例中，各层之间通过缝合固定。
在一可选实施例中，所述导热层301厚度为0.1mm～0.2mm。
在一可选实施例中，所述第一氧化铝纤维棉的面密度为0.6kg/m2～0.9kg/m2，所述第一铺层302的厚度为3mm～6mm。
在一可选实施例中，所述第二氧化铝纤维棉的面密度为0.5kg/m2～0.9kg/m2，当所述第二铺层304为第二氧化铝纤维棉时所述第二铺层304的厚度为3mm～4mm。
在一可选实施例中，所述氧化铝纤维棉的制备方法包括：
(1)将氧化铝纤维制成的纤维散棉浸入质量浓度为3-8％柔顺溶液中进行柔顺处理，干燥后得到柔顺处理后的纤维散棉，所述柔顺溶液中溶质为乙二醇和乙二胺，溶剂为水；
(2)将所述柔顺处理后的纤维散棉浸入纳米溶胶中一定时间，压滤、干燥、热处理后，得到引入纳米颗粒的纤维棉半成品，，其中，所述纳米溶胶为氧化硅溶胶或者为氧化硅和氧化锆溶胶；
(3)将所述引入纳米颗粒的纤维棉半成品浸入所述柔顺溶液中进行柔顺处理，干燥、热处理后得到所述第一氧化铝纤维棉或第二氧化铝纤维棉。
在一可选实施例中，步骤(1)所述柔顺溶液中乙二醇和乙二胺的质量比为3：5～9。
在一可选实施例中，步骤(1)中将氧化铝纤维制成的纤维散棉浸入质量浓度为3-8％柔顺溶液中30～150分钟后取出，在75-85℃下干燥后得到柔顺处理后的纤维散棉。
在一可选实施例中，步骤(3)中将所述引入纳米颗粒的纤维棉半成品浸入所述柔顺溶液中30～150分钟后取出，在100℃～120℃环境中烘干，在500℃～700℃热处理1h～2h，得到所述第一氧化铝纤维棉或第二氧化铝纤维棉。
在一可选实施例中，所述第一氧化铝纤维棉中氧化锆与氧化硅的总质量含量为10％～15％；所述第二氧化铝纤维棉中氧化硅的质量含量为7％～13％。
在一可选实施例中，当所述第二铺层304为氧化铝气凝胶时，所述第二铺层304的厚度为3mm～5mm。
在一可选实施例中，所述金属箔层303的厚度为0.1～0.3mm，最高使用温度为400℃～600℃。
在一可选实施例中，所述的一种柔性热防护结构，还包括承力层4，所述第二铺层304位于所述金属箔层303和承力层4之间，除所述承力层4之外的其他各层由第一缝合线6缝合，除所述耐热层2之外的其他各层由所述第二缝合线7缝合，所述第一缝合线6和第二缝合线7交替设置。
在一可选实施例中，所述的一种柔性热防护结构，还包括承力层4，所述第二铺层304位于所述金属箔层303和承力层4之间，位于中间的各层先由第一缝合线6缝合，各层均通过第二缝合线7缝合，所述第一缝合线6和第二缝合线7交替设置。
在一可选实施例中，所述第一缝合线和第二缝合线均由氧化铝纤维制成，所述第一缝合线直径为1mm～2mm，所述第二缝合线直径为1mm～2mm。
在一可选实施例中，所述第一缝合线的线迹密度为100mm～150mm/针；所述第二缝合线的线迹密度为150mm～200mm/针。
在一可选实施例中，所述耐热层2由一层或多层陶瓷纤维布形成，厚度为0.5mm-1mm，面密度为500g/m2～1000g/m2。
本发明的有益效果为：
(1)本发明实施例提供的柔性热防护结构，通过采用层叠结构的隔热层3，通过导热层301将外热流均匀分布在第一氧化铝纤维棉上表面，第一氧化铝纤维棉阻隔并吸收大部分传递至隔热层3热流，并由金属箔层303将传递至其的热流反射回去，些时传递至第二铺层304的热流已经大大减小，再由第二氧化铝纤维棉或金属氧化物气凝胶阻隔并吸收，该结构在承受热流达15w/m2到时，能够保证整个防热层有效隔热，不被高热流气流破坏；
(2)本发明实施例提供的柔性热防护结构各层之间通过缝合固定，以使折叠包装时，柔性热防护结构各层之间存在间隙，并且各层可发生局部相对位移，避免柔性热防护结构在折叠包装过程造成结构破坏；
(3)由于耐热层的孔隙较大，热流经过耐热层时形成局部加热热流，本发明实施例提供的导热层301把传递至隔热层3的局部热流迅速均布在整个导热层301，从而保证隔热层3的第一铺层302不被局部热流破坏；
(4)当热端温度为1200℃，本发明提供的柔性热防护结构可以将温度降低至200℃。
附图说明
图1为现有技术提供的柔性热防护结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种柔性热防护结构原理示意图；
图3为本发明实施例提供的一种优选缝合方式示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种缝合方式示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
参见图2，本发明实施例提供了一种柔性热防护结构，包括层叠的耐热层2和隔热层3，所述隔热层3包括依次层叠的导热层301、第一铺层302、金属箔层303和第二铺层304，所述导热层301为石墨纸或金属箔，所述第一铺层302为第一氧化铝纤维棉，所述第二铺层304为第二氧化铝纤维棉或金属氧化物气凝胶。
具体地，本发明实施例中，耐热层2由陶瓷纤维布制成，还可以包括承力层4，所述第二铺层304位于所述金属箔层303和承力层4之间，承力层4优选由芳纶布制成。
本发明实施例提供的柔性热防护结构，通过采用层叠结构的隔热层3，通过导热层301将外热流均匀分布在第一氧化铝纤维棉上表面，第一氧化铝纤维棉阻隔并吸收大部分传递至隔热层3热流，并由金属箔层303将传递至其的热流反射回去，些时传递至第二铺层304的热流已经大大减小，再由第二氧化铝纤维棉或金属氧化物气凝胶阻隔并吸收，该结构在承受热流达15w/m2到时，能够保证整个防热层有效隔热，不被高热流气流破坏。
在一可选实施例中，本发明实施例提供的柔性热防护结构各层之间通过缝合固定，以使折叠包装时，柔性热防护结构各层之间存在间隙，并且各层可发生局部相对位移，避免柔性热防护结构在折叠包装过程造成结构破坏。
如图3和4所示，在缝合时，各层可采用错位缝合、两两缝合或整体缝合等方式进行，为避免针孔部位漏气，尽量错开缝线针眼。
参见图2，在一可选实施例中，所述导热层301为石墨纸，厚度为0.1mm～0.2mm；在另一可选实施例中，所述导热层301为镍箔，厚度为0.1mm～0.2mm。由于耐热层的孔隙较大，热流经过耐热层时形成局部加热热流，该厚度的导热层301把传递至隔热层3的局部热流迅速均布在整个导热层301，从而保证隔热层3的第一铺层302不被局部热流破坏。
在一可选实施例中，所述第一氧化铝纤维棉的面密度为0.6kg/m2～0.9kg/m2，所述第一铺层302的厚度为3mm～6mm，以保证铺层最高使用温度可达1100℃～1200℃且具有质轻及柔韧性良好的属性。
在一可选实施例中，所述第二氧化铝纤维棉的面密度为0.5kg/m2～0.9kg/m2，当所述第二铺层304为第二氧化铝纤维棉时，所述第二铺层304的厚度为3mm～4mm，以确保最高使用温度为800℃～1000℃且具有质轻及柔韧性良好的属性。
在一可选实施例中，所述第一氧化铝纤维棉和第二氧化铝纤维棉的制备方法包括：
(1)将氧化铝纤维制成的纤维散棉浸入质量浓度为3-8％柔顺溶液中进行柔顺处理，干燥后得到柔顺处理后的纤维散棉，所述柔顺溶液中溶质为乙二醇和乙二胺，溶剂为水；
具体地，本发明实施例中，所述柔顺溶液中乙二醇和乙二胺的质量比优选3：5～9；在一可选实施例中，将氧化铝纤维制成的纤维散棉浸入质量浓度为3-8％柔顺溶液中30～150分钟后取出，在75-85℃下干燥后得到柔顺处理后的纤维散棉。
(2)将所述柔顺处理后的纤维散棉浸入纳米溶胶中一定时间，压滤、干燥、热处理后，得到引入纳米颗粒的纤维棉半成品，其中，所述纳米溶胶为氧化硅溶胶或者为氧化硅和氧化锆溶胶；
(3)将所述引入纳米颗粒的纤维棉半成品浸入所述柔顺溶液中进行柔顺处理，干燥、热处理后得到所述第一氧化铝纤维棉或第二氧化铝纤维棉。
在一可选实施例中，将所述引入纳米颗粒的纤维棉半成品浸入所述柔顺溶液中30～150分钟后取出，在100℃～120℃环境中烘干，在500℃～700℃热处理1h～2h，得到所述第一氧化铝纤维棉或第二氧化铝纤维棉。
具体地，所述第一氧化铝纤维棉中氧化锆与氧化硅的总质量含量优选10％～15％，更优选12％。第二氧化铝纤维棉中氧化硅的质量含量优选7％～13％，更优选8％。
该方法制备的氧化铝纤维棉可反复折叠20次以上而材料不受损。
在一可选实施例中，当所述第二铺层304为氧化铝气凝胶时，所述第二铺层304的厚度为3mm～5mm。
在一可选实施例中，所述金属箔层303的厚度为0.1mm～0.3mm，最高使用温度为400℃～600℃。
参见图3所示，在一可选实施例中，所述的柔性热防护结构，除所述承力层4之外的其他各层由第一缝合线6缝合，除所述耐热层2之外的其他各层由所述第二缝合线7缝合，所述第一缝合线6和第二缝合线7交替设置。如图4所示，在另一可选实施例中，所述第二铺层304位于所述金属箔层303和承力层4之间，位于中间的各层先由第一缝合线6缝合，各层均通过第二缝合线7缝合，所述第一缝合线6和第二缝合线7交替设置。
第一缝合线6和第二缝合线7优选氧化铝纤维制成的缝合线，所述第一缝合线直径为1mm～2mm，所述第二缝合线直径为1mm～2mm。该粗细的氧化铝纤维缝合线既能够保证缝合线的强度，又能够尽量减小对各层纤维的破坏。在一可选实施例中，所述第一缝合线6的线迹密度为100mm～150mm/针；所述第二缝合线7的线迹密度为150mm～200mm/针。所述范围的线迹密度，既可以满足柔性热防护结构的整体强度要求，又能够避免对柔性热防护结构整体防热性能造成明显影响。
在一可选实施例中，所述耐热层2由一层或多层陶瓷纤维布(nextel)形成，厚度为0.5mm-1mm，面密度约为500g/m2～1000g/m2，以确保柔性热防护结构的整体面密度不超过2500g/m2。
以下为本发明的具体实施例：
实施例1
本实施例提供了一种氧化铝纤维棉，其制备方法包括：
(1)首先，将氧化铝纤维进行梳理后，在针刺设备上针刺，得到面密度为0.4kg/m2～0.8kg/m2的氧化铝纤维散棉；
(2)将步骤(1)制得的纤维散棉浸入质量浓度为5％的柔顺溶液中50min，取出后放置在80℃的恒温干燥箱干燥，其中，所述柔顺溶液中乙二醇与乙二胺的质量比为3：7；
(3)制备氧化锆和氧化硅纳米溶胶：
采用酸，碱两步催化法，将氧化锆、氧化硅纳米颗粒按照摩尔比为1：1的比例混合，然后与正硅酸乙酯及一定量的乙醇混合搅拌，并加入盐酸、水和乙醇混合液进行酸催化，待正硅酸乙酯水解充分后再加入氨水、水和乙醇进行碱催化，最终得到氧化锆、氧化硅纳米溶胶。
(4)将所述柔顺处理后的纤维散棉加入到氧化锆和氧化硅纳米溶胶中，搅拌均匀，将其放置在密闭容器内对柔顺处理后的纤维散棉进行缓慢浸渍，4h后对体系进行压滤，将氧化锆、氧化硅纳米颗粒引入到氧化铝纤维散棉中。
(5)经过2次步骤(4)后，浸渍的氧化铝纤维棉成形，将其放置在100℃～120℃环境中烘干，在600℃热处理1h，得到引入纳米颗粒的纤维棉半成品。
(6)对引入纳米颗粒的纤维棉半成品再次进行柔顺处理，将半成品浸入柔顺溶液中，浸渍时间为60分钟，取出后放置在110℃的恒温干燥箱干燥处理，然后在600℃下处理1h，最终得到既能耐受1200℃高温，又能满足折叠20次材料不受破坏的第一氧化铝纤维棉，第一氧化铝纤维棉中氧化锆与氧化硅的总质量含量为12％，第一氧化铝纤维棉的面密度为800g/m2。
第二氧化铝纤维棉的制备方法与第一氧化铝纤维棉基本相同，唯一不同的是，步骤(3)中制备氧化硅纳米溶胶，步骤(4)中，将所述柔顺处理后的纤维散棉加入到氧化硅纳米溶胶中，搅拌均匀，将其放置在密闭容器内对柔顺处理后的纤维散棉进行缓慢浸渍，3h后对体系进行压滤，将氧化硅纳米颗粒引入到氧化铝纤维散棉中。得到的第二氧化铝纤维棉中氧化硅的质量含量为8％，第二氧化铝纤维棉的面密度为560g/m2，能满足折叠20次材料不受破坏。
本实施例还提供了一种柔性热防护结构，包括依次层叠的耐热层2、隔热层3和承力层4，所述隔热层3包括依次层叠的导热层301、第一铺层302、金属箔层303和第二铺层304，所述第一铺层302采用上述第一氧化铝纤维棉，厚度为5mm，所述第二铺层304采用上述第二氧化铝纤维棉，厚度为3.5mm。所述耐热层2由陶瓷纤维布(nextel440)构成，厚度为0.6mm，面密度约为600g/m2，陶瓷纤维布耐热性能优良，最高使用温度可达到1600K，甚至更高，导热层301为厚度约为0.1mm的石墨纸，面密度约为100g/m2，由于其导热性良好，可以把热载荷分布在整个隔热层表面，更加均匀的传热。，金属箔层303为厚度为0.1mm的铝箔。
所述隔热层3的面密度约为1600g/m2，厚度约为9mm，导热系数在0.04W/(m·K)左右；
所述承力层4由芳纶布组成，用以承受大部分的外载荷，其厚度约为0.3mm，面密度约为250g/m2。其上涂有气密涂层，可阻止气流往结构内部渗透。
如图3所示，本实施例提供的柔性热防护结构缝合方式包括：
首先将柔性热防护结构各层按顺序平铺整齐；
其次，柔性热防护结构各层分为两组，耐热层2和隔热层3为外层组，隔热层3和承力层4为内层组；
先对外层组用直径为1mm由氧化铝纤维制成的缝合线缝制一道直行线，线迹密度约为150mm/针，缝线线头分布在隔热层3与承力层4之间，
接着对内层组用直径为1mm由氧化铝纤维制成的缝合线缝制第二道直行线，线迹密度约为100mm/针，缝线线头分布在承力层内表面，依次交替对外层组及内层组进行缝制，相邻缝线不交叉，间距为100mm。本实施例提供的柔性热防护结构，当热端温度为1200℃，可以将温度降低至200℃。
实施例2
本实施例还提供了一种柔性热防护结构，包括依次层叠的耐热层2、隔热层3和承力层4，所述隔热层3包括依次层叠的导热层301、第一铺层302、金属箔层303和第二铺层304，所述耐热层2由陶瓷纤维布(nextel440)构成，厚度为1mm，面密度约为1000g/m2，陶瓷纤维布耐热性能优良，最高使用温度可达到1600K，甚至更高，导热层301为厚度约为0.1mm的石墨纸，面密度约为100g/m2，由于其导热性良好，可以把热载荷分布在整个隔热层表面，更加均匀的传热。第一铺层302由氧化铝纤维棉(购买自THERMOST厂家)铺成，厚度为6mm，金属箔层303为厚度为0.1mm的铝箔，第二铺层304为厚度为3mm的氧化铝气凝胶(购买自航天三院)，面密度为500g/m2。
所述隔热层3的面密度约为1300g/m2，厚度约为9mm，导热系数在0.04W/(m·K)左右；
所述承力层4由芳纶布组成，用以承受大部分的外载荷，其厚度约为0.3mm，面密度约为250g/m2。其上涂有气密涂层，可阻止气流往结构内部渗透。
如图3所示，本实施例提供的柔性热防护结构缝合方式包括：
首先将柔性热防护结构各层按顺序平铺整齐；
其次，柔性热防护结构各层分为两组，耐热层2和隔热层3为外层组，隔热层3和承力层4为内层组；
先对外层组用直径为1mm由氧化铝纤维制成的缝合线缝制一道直行线，线迹密度约为150mm/针，缝线线头分布在隔热层3与承力层4之间，
接着对内层组用直径为1mm由氧化铝纤维制成的缝合线缝制第二道直行线，线迹密度约为100mm/针，缝线线头分布在承力层内表面，依次交替对外层组及内层组进行缝制，相邻缝线不交叉，间距为100mm。本实施例提供的柔性热防护结构，当热端温度为1200℃，可以将温度降低至200℃。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (16)

1.一种柔性热防护结构，包括层叠的耐热层(2)和隔热层(3)，其特征在于，所述隔热层(3)包括依次层叠的导热层(301)、第一铺层(302)、金属箔层(303)和第二铺层(304)，所述导热层(301)为石墨纸或金属箔，所述第一铺层(302)为第一氧化铝纤维棉，所述第二铺层(304)为第二氧化铝纤维棉或金属氧化物气凝胶；
所述氧化铝纤维棉的制备方法包括：
(1)将氧化铝纤维制成的纤维散棉浸入质量浓度为3-8％柔顺溶液中进行柔顺处理，干燥后得到柔顺处理后的纤维散棉，所述柔顺溶液中溶质为乙二醇和乙二胺，溶剂为水；
(2)将所述柔顺处理后的纤维散棉浸入纳米溶胶中一定时间，压滤、干燥、热处理后，得到引入纳米颗粒的纤维棉半成品，其中，所述纳米溶胶为氧化硅溶胶或者为氧化硅和氧化锆溶胶；
(3)将所述引入纳米颗粒的纤维棉半成品浸入所述柔顺溶液中进行柔顺处理，干燥、热处理后得到所述第一氧化铝纤维棉或第二氧化铝纤维棉。
2.根据权利要求1所述的一种柔性热防护结构，其特征在于，各层之间通过缝合固定。
3.根据权利要求1所述的一种柔性热防护结构，其特征在于，所述导热层( 301) 厚度为0.1mm～0.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种柔性热防护结构，其特征在于，所述第一氧化铝纤维棉的面密度为0.6kg/m2～0.9kg/m2，所述第一铺层(302)的厚度为3mm～6mm。
5.根据权利要求1所述的一种柔性热防护结构，其特征在于，所述第二氧化铝纤维棉的面密度为0.5kg/m2～0.9kg/m2，当所述第二铺层(304)为第二氧化铝纤维棉时所述第二铺层(304)的厚度为3mm～4mm。
6.根据权利要求1所述的一种柔性热防护结构，其特征在于，步骤(1) 所述柔顺溶液中乙二醇和乙二胺的质量比为3：5～9。
7.根据权利要求1或6所述的一种柔性热防护结构，其特征在于，步骤(1)中将氧化铝纤维制成的纤维散棉浸入质量浓度为3-8％柔顺溶液中30～150分钟后取出，在75-85℃下干燥后得到柔顺处理后的纤维散棉。
8.根据权利要求1或6所述的一种柔性热防护结构，其特征在于，步骤(3)中将所述引入纳米颗粒的纤维棉半成品浸入所述柔顺溶液中30～150分钟后取出，在100℃～120℃环境中烘干，在500℃～700℃热处理1h～2h，得到所述第一氧化铝纤维棉或第二氧化铝纤维棉。
9.根据权利要求1或6所述的一种柔性热防护结构，其特征在于，所述第一氧化铝纤维棉中氧化锆与氧化硅的总质量含量为10％～15％；所述第二氧化铝纤维棉中氧化硅的质量含量为7％～13％。
10.根据权利要求5所述的一种柔性热防护结构，其特征在于，当所述第二铺层(304)为氧化铝气凝胶时，所述第二铺层304的厚度为3mm～5mm。
11.根据权利要求1所述的一种柔性热防护结构，其特征在于，所述金属箔层(303)的厚度为0.1～0.3mm，最高使用温度为400℃～600℃。
12.根据权利要求2所述的一种柔性热防护结构，其特征在于，还包括承力层( 4) ，所述第二铺层(304)位于所述金属箔层(303)和承力层(4)之间，除所述承力层(4)之外的其他各层由第一缝合线(6)缝合，除所述耐热层(2)之外的其他各层由第二缝合线(7)缝合，所述第一缝合线(6)和第二缝合线(7)交替设置。
13.根据权利要求2所述的一种柔性热防护结构，其特征在于，还包括承力层(4)，所述第二铺层(304)位于所述金属箔层(303)和承力层(4)之间，位于中间的各层先由第一缝合线(6)缝合，各层均通过第二缝合线(7)缝合，所述第一缝合线(6)和第二缝合线(7)交替设置。
14.根据权利要求12或13所述的一种柔性热防护结构，其特征在于，所述第一缝合线和第二缝合线均由氧化铝纤维制成，所述第一缝合线直径为1mm～2mm，所述第二缝合线直径为1mm～2mm。
15.根据权利要求14所述的一种柔性热防护结构，其特征在于，所述第一缝合线的线迹密度为100mm～150mm/针；所述第二缝合线的线迹密度为150mm～200mm/针。
16.根据权利要求1所述的一种柔性热防护结构，其特征在于，所述耐热层(2)由一层或多层陶瓷纤维布形成，厚度为0.5mm-1mm，面密度为500g/m2～1000g/m2。
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