CN109503114A - 一种透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法 - Google Patents

一种透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法。将织物高致密表层、织物低密度内层连接成一体，制成预制体；在预制体的织物低密度内层制备疏水涂层，用于抑制对水基前驱体的浸润渗透性，然后通过液相渗积成型工艺循环浸渍硅溶胶，通过所述硅溶胶循环浸渍，增加预制体与硅溶胶的结合量，提高其外表面的致密性，在达到一定致密度后，去除所述超疏水涂层的疏水效果得到一体化的复合材料坯体；去除所述超疏水涂层的疏水效果的所述一体化的复合材料坯体经制备气凝胶，得到透波烧蚀隔热一体化材料。本发明通过本领域首创的梯度密度复合材料的一体化成型制备工艺制备一体化的透波烧蚀隔热材料，通过一体化成型实现透波烧蚀防隔热一体化，填补了本领域的技术空白。

Description

一种透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料，尤其涉及一种透波烧蚀隔热一体化材料的制 备方法。
背景技术
目前飞行器舱段材料需要满足透波烧蚀隔热的要求，而且该舱段材 料要求为多层结构，对于该多层结构目前大多采用单层单独成型后再进 行逐层装配的方式制成，但是该方式需要通过粘结剂粘黏、螺纹、螺栓 加固的方式进行层与层之间的连接，容易导致层与层之间连接强度低、 装配精度低、连接操作繁琐、成本增高等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种透波烧蚀隔热 一体化材料的制备方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种透波烧蚀隔热一体化材料的制 备方法，包括以下步骤：
将织物高致密表层、织物低密度内层连接成一体，制成预制体；
在预制体的织物低密度内层制备疏水涂层，然后通过液相渗积成型 工艺循环浸渍硅溶胶，达到一定致密度后，得到一体化的复合材料坯体；
所述一体化的复合材料坯体去除所述超疏水涂层的疏水效果，然后 经制备气凝胶，得到透波烧蚀隔热一体化材料。
疏水涂层的制备，用于抑制对水基前驱体的浸润渗透性。若不采用 疏水涂层封住，在硅溶胶致密化成型过程中，硅溶胶也会进入低密度 层形成复合材料，低密度层就无法达到很好的隔热效果。后续去除疏 水涂层，是为了便于在低密度层做气凝胶，达到高效隔热的目的。
通过硅溶胶循环浸渍，增加预制体与硅溶胶的结合量，提高其外表 面的致密性。
进一步的，织物高致密表层采用纤维布制备，具体可以为石英纤维 布制备高致密表层，织物低密度内层采用纤维网胎制备，具体可以为石 英纤维网胎。
进一步的，纤维布为平纹或缎纹，厚度为0.1-0.5mm，纤维网胎密度 为0.2-0.5g/cm3。
进一步的，织物高致密表层、织物低密度内层经缝合得到一体化的 纤维预制体，缝合间距为2-8mm。
进一步的，在预制体的织物低密度内层制备疏水涂层之前包括步骤： 采用热处理方式去除预制体表面浸润剂。通过去除预制体原料中的表面 浸润剂，该有机物与陶瓷材料结合力差，该有机物的存在会影响预制体 与硅溶胶的结合力，影响致密化的效果。其中，热处理温度500-800℃。
进一步的，在预制体的织物低密度内层制备疏水涂层包括：通过硅 氮烷或氟硅烷溶液浸泡，然后经干燥，在预制体的织物低密度内层制备 疏水涂层。
具体通过将预制体放置在盛有硅氮烷或氟硅烷溶液的模具中，通过 模具设计以及溶液量的控制，使得只有织物低密度内层(即纤维网胎的 一面)浸润在硅氮烷或氟硅烷溶液中；
通过硅氮烷或氟硅烷溶液浸泡、干燥，在织物低密度内层(低密度 纤维网胎一面)制备得到疏水涂层，浸泡时间为12-14h，干燥温度为 50-120℃。
进一步的，浸渍过程采用真空、振动、高压中多种相结合的方式， 浸渍完成后干燥，直至干燥至恒重。真空、振动、高压组合是最优的浸 渍的方式，通过该浸渍过程提高预制体与硅溶胶的结合性。
其中，硅溶胶的固含量为40-60％，干燥温度为50-120℃。
进一步的，对预制体重复进行硅溶胶循环浸渍及干燥处理直至增重 小于2％，得到一体化复合材料坯体。
进一步的，将所述一体化复合材料坯体在500-800℃下进行高温热处 理，以去除疏水涂层及进行陶瓷化处理。
进一步的，去除所述超疏水涂层的疏水效果的所述一体化的复合材 料坯体经制备气凝胶，得到透波烧蚀隔热一体化材料，包括：
浸渍：将一体化的复合材料坯体浸入溶胶中，在室温或加热条件下 胶凝，得到纤维增强型二氧化硅湿凝胶；
老化：在室温或加热条件下老化，老化时间为8-72小时；
溶剂置换：将老化后的纤维增强湿凝胶材料放入有机溶剂溶剂中， 使水含量低于1％，其中，有机溶剂溶剂为醇溶剂或酮溶剂；
超临界干燥处理：对上述纤维增强湿凝胶进行超临界干燥处理，得 到透波烧蚀隔热一体化材料坯体；
加工：透波烧蚀隔热一体化材料坯体精加工，得到产品。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明示例的透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法，将织物高致密 表层、织物低密度内层连接成一体，制成预制体；在预制体的织物低密 度内层制备疏水涂层，用于抑制对水基前驱体的浸润渗透性，然后通过 液相渗积成型工艺循环浸渍硅溶胶，通过所述硅溶胶循环浸渍，增加预 制体与硅溶胶的结合量，提高其外表面的致密性，在达到一定致密度后， 去除所述超疏水涂层的疏水效果得到一体化的复合材料坯体；去除所述 超疏水涂层的疏水效果的所述一体化的复合材料坯体经制备气凝胶，得 到透波烧蚀隔热一体化材料。本发明通过本领域首创的梯度密度复合材 料的一体化成型制备工艺制备一体化的透波烧蚀隔热材料，所述材料外 表面采用高致密的耐高温陶瓷材料，实现高温抗烧蚀性能；内表面采用 轻质隔热气凝胶材料，实现高效隔热功能，同时具备耐高温透波功能， 通过一体化成型实现透波烧蚀防隔热一体化，填补了本领域的技术空白。 由于所述制备方法制备的透波烧蚀隔热一体化材料，无需通过粘结剂粘 黏、螺纹、螺栓进行层与层之间的连接，避免了单层单独成型再逐层装 配导致的层与层之间连接强度低、装配精度低、连接操作繁琐、成本增 高等问题，值得推广。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明 作进一步说明。
实施例一：
本实施例提供了一种透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法，其步骤 为：
(1)采用石英纤维布制备高致密表层，采用石英纤维网胎制备低密 度内层；石英纤维布为平纹或缎纹，厚度为0.1-0.2mm；石英纤维网胎密 度为0.2g/cm3；
(2)将石英纤维布和石英纤维网胎按照一定厚度铺层，采用石英纤 维纱线进行缝合得到一体化的石英纤维预制体，缝合间距为2-3mm；
(3)采用热处理方式去除石英纤维预制体表面浸润剂，热处理温度 500-550℃；
(4)将石英纤维预制体放置在盛有硅氮烷或氟硅烷溶液的模具中， 通过模具设计以及溶液量的控制，使得只有石英纤维网胎的一面浸润在 硅氮烷或氟硅烷溶液中；
(5)通过硅氮烷或氟硅烷溶液浸泡、干燥，在低密度石英纤维网胎 一面制备得到疏水涂层，浸泡时间为12-14h，干燥温度为50-60℃；
(6)采用高纯硅溶胶对上述石英纤维预制体进行液相浸渍成型，采 用固含量为50％的高纯硅溶胶循环浸渍，浸渍过程采用真空、振动以及高 压相结合的方式，浸渍完成在50-60℃干燥，直至干燥至恒重；
(7)按照上述(6)循环浸渍硅溶胶，直至增重小于2％，得到一体 化石英纤维复合材料坯体；
(8)在500-550℃下进行高温热处理，去除疏水涂层效果，以及进 行陶瓷化处理；
(9)将整个坯体制备二氧化硅或莫来石气凝胶，通过溶胶制备、浸 渍、凝胶、老化、溶剂置换以及超临界干燥工艺制备，得到透波烧蚀隔 热一体化材料坯体。
A.溶胶的制备：向二氧化硅水溶胶中加入催化剂并混合，制得溶 胶；
B.溶胶浸胶和胶凝：将一体化的石英纤维复合材料坯体浸入所述溶 胶中，在室温或加热条件下胶凝，得到石英纤维增强型二氧化硅湿凝胶；
C.老化：在室温或加热条件下进行72小时的老化；
D.溶剂置换：将老化后的石英纤维增强湿凝胶材料放入醇溶剂或酮 溶剂中，使水含量低于1％；
E.超临界干燥处理：对上述石英纤维增强湿凝胶进行超临界干燥处 理。
(7)将上述透波烧蚀隔热一体化材料坯体精密加工，得到产品。
本实施例的透波烧蚀隔热一体化材料具备耐高温、抗烧蚀、承载以 及透波功能，较目前现有的多层结构装配制备的材料成本低、性能优异。
实施例二：
本实施例提供了一种透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法，其步骤 为：
(1)采用石英纤维布制备高致密表层，采用石英纤维网胎制备低密 度内层；石英纤维布为平纹或缎纹，厚度为0.3mm；石英纤维网胎密度为 0.5g/cm3；
(2)将石英纤维布和石英纤维网胎按照一定厚度铺层，采用石英纤 维纱线进行缝合得到一体化的石英纤维预制体，缝合间距为4-5mm；
(3)采用热处理方式去除石英纤维预制体表面浸润剂，热处理温度 600℃；
(4)将石英纤维预制体放置在盛有硅氮烷或氟硅烷溶液的模具中， 通过模具设计以及溶液量的控制，使得只有石英纤维网胎的一面浸润在 硅氮烷或氟硅烷溶液中；
(5)通过硅氮烷或氟硅烷溶液浸泡、干燥，在低密度石英纤维网胎 一面制备得到疏水涂层，浸泡时间为12-14h，干燥温度为70℃；
(6)采用高纯硅溶胶对上述石英纤维预制体进行液相浸渍成型，采 用固含量为55-60％的高纯硅溶胶循环浸渍，浸渍过程采用真空、振动以 及高压相结合的方式，浸渍完成在70℃干燥，直至干燥至恒重；
(7)按照上述(6)循环浸渍硅溶胶，直至增重小于2％，得到一体 化石英纤维复合材料坯体；
(8)在600-650℃下进行高温热处理，去除疏水涂层效果，以及进 行陶瓷化处理；
(9)将整个坯体制备二氧化硅或莫来石气凝胶，通过溶胶制备、浸 渍、凝胶、老化、溶剂置换以及超临界干燥工艺制备，得到透波烧蚀隔 热一体化材料坯体。
A.溶胶的制备：向二氧化硅水溶胶中加入催化剂并混合，制得溶 胶；
B.溶胶浸胶和胶凝：将一体化的石英纤维复合材料坯体浸入所述溶 胶中，在室温或加热条件下胶凝，得到石英纤维增强型二氧化硅湿凝胶；
C.老化：在室温或加热条件下进行8～10小时的老化；
D.溶剂置换：将老化后的石英纤维增强湿凝胶材料放入醇溶剂或酮 溶剂中，使水含量低于1％；
E.超临界干燥处理：对上述石英纤维增强湿凝胶进行超临界干燥处 理。
(7)将上述透波烧蚀隔热一体化材料坯体精密加工，得到产品。
实施例三：
本实施例提供了一种透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法，其步骤 为：
(1)采用石英纤维布制备高致密表层，采用石英纤维网胎制备低密 度内层；石英纤维布为平纹或缎纹，厚度为0.5mm；石英纤维网胎密度为 0.4g/cm3；
(2)将石英纤维布和石英纤维网胎按照一定厚度铺层，采用石英纤 维纱线进行缝合得到一体化的石英纤维预制体，缝合间距为6mm；
(3)采用热处理方式去除石英纤维预制体表面浸润剂，热处理温度 700℃；
(4)将石英纤维预制体放置在盛有硅氮烷或氟硅烷溶液的模具中， 通过模具设计以及溶液量的控制，使得只有石英纤维网胎的一面浸润在 硅氮烷或氟硅烷溶液中；
(5)通过硅氮烷或氟硅烷溶液浸泡、干燥，在低密度石英纤维网胎 一面制备得到疏水涂层，浸泡时间为12-14h，干燥温度为80℃；
(6)采用高纯硅溶胶对上述石英纤维预制体进行液相浸渍成型，采 用固含量为50％的高纯硅溶胶循环浸渍，浸渍过程采用真空、振动以及高 压相结合的方式，浸渍完成在80℃干燥，直至干燥至恒重；
(7)按照上述(6)循环浸渍硅溶胶，直至增重小于2％，得到一体 化石英纤维复合材料坯体；
(8)在700℃下进行高温热处理，去除疏水涂层效果，以及进行陶 瓷化处理；
(9)将整个坯体制备二氧化硅或莫来石气凝胶，通过溶胶制备、浸 渍、凝胶、老化、溶剂置换以及超临界干燥工艺制备，得到透波烧蚀隔 热一体化材料坯体。
A.溶胶的制备：向二氧化硅水溶胶中加入催化剂并混合，制得溶 胶；
B.溶胶浸胶和胶凝：将一体化的石英纤维复合材料坯体浸入所述溶 胶中，在室温或加热条件下胶凝，得到石英纤维增强型二氧化硅湿凝胶；
C.老化：在室温或加热条件下进行25小时的老化；
D.溶剂置换：将老化后的石英纤维增强湿凝胶材料放入醇溶剂或酮 溶剂中，使水含量低于1％；
E.超临界干燥处理：对上述石英纤维增强湿凝胶进行超临界干燥处 理。
(7)将上述透波烧蚀隔热一体化材料坯体精密加工，得到产品。
实施例四：
本实施例提供了一种透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法，其步骤 为：
(1)采用石英纤维布制备高致密表层，采用石英纤维网胎制备低密 度内层；石英纤维布为平纹或缎纹，厚度为0.2mm；石英纤维网胎密度为 0.3g/cm3；
(2)将石英纤维布和石英纤维网胎按照一定厚度铺层，采用石英纤 维纱线进行缝合得到一体化的石英纤维预制体，缝合间距为8mm；
(3)采用热处理方式去除石英纤维预制体表面浸润剂，热处理温度 800℃；
(4)将石英纤维预制体放置在盛有硅氮烷或氟硅烷溶液的模具中， 通过模具设计以及溶液量的控制，使得只有石英纤维网胎的一面浸润在 硅氮烷或氟硅烷溶液中；
(5)通过硅氮烷或氟硅烷溶液浸泡、干燥，在低密度石英纤维网胎 一面制备得到疏水涂层，浸泡时间为12-14h，干燥温度为120℃；
(6)采用高纯硅溶胶对上述石英纤维预制体进行液相浸渍成型，采 用固含量为40-45％的高纯硅溶胶循环浸渍，浸渍过程采用真空以及高压 相结合的方式，浸渍完成在120℃干燥，直至干燥至恒重；
(7)按照上述(6)循环浸渍硅溶胶，直至增重小于2％，得到一体 化石英纤维复合材料坯体；
(8)在800℃下进行高温热处理，去除疏水涂层效果，以及进行陶 瓷化处理；
(9)将整个坯体制备二氧化硅或莫来石气凝胶，通过溶胶制备、浸 渍、凝胶、老化、溶剂置换以及超临界干燥工艺制备，得到透波烧蚀隔 热一体化材料坯体。
A.溶胶的制备：向二氧化硅水溶胶中加入催化剂并混合，制得溶 胶；
B.溶胶浸胶和胶凝：将一体化的石英纤维复合材料坯体浸入所述溶 胶中，在室温或加热条件下胶凝，得到石英纤维增强型二氧化硅湿凝胶；
C.老化：在室温或加热条件下进行50小时的老化；
D.溶剂置换：将老化后的石英纤维增强湿凝胶材料放入醇溶剂或酮 溶剂中，使水含量低于1％；
E.超临界干燥处理：对上述石英纤维增强湿凝胶进行超临界干燥处 理。
(7)将上述透波烧蚀隔热一体化材料坯体精密加工，得到产品。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。 本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述 技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明 构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其 它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能 的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
将织物高致密表层、织物低密度内层连接成一体，制成预制体；
在预制体的织物低密度内层制备疏水涂层，然后通过液相渗积成型工艺循环浸渍硅溶胶，达到一定致密度后，得到一体化的复合材料坯体；
所述一体化的复合材料坯体去除所述超疏水涂层的疏水效果，然后经制备气凝胶，得到透波烧蚀隔热一体化材料。
2.根据权利要求1所述的透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法，其特征是，织物高致密表层采用纤维布制备，织物低密度内层采用纤维网胎制备。
3.根据权利要求2所述的透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法，其特征是，纤维布为平纹或缎纹，厚度为0.1-0.5mm，纤维网胎密度为0.2-0.5g/cm3。
4.根据权利要求1所述的透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法，其特征是，织物高致密表层、织物低密度内层经缝合得到一体化的纤维预制体，缝合间距为2-8mm。
5.根据权利要求1所述的透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法，其特征是，在预制体的织物低密度内层制备疏水涂层之前包括步骤：采用热处理方式去除预制体表面浸润剂。
6.根据权利要求1所述的透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法，其特征是，在预制体的织物低密度内层制备疏水涂层包括：通过硅氮烷或氟硅烷溶液浸泡，然后经干燥，在预制体的织物低密度内层制备疏水涂层。
7.根据权利要求1所述的透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法，其特征是，浸渍过程采用真空、振动、高压中多种相结合的方式，浸渍完成后干燥，直至干燥至恒重。
8.根据权利要求7所述的透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法，其特征是，对预制体重复进行硅溶胶循环浸渍及干燥处理直至增重小于2％，得到一体化复合材料坯体。
9.根据权利要求8所述的透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法，其特征是，将所述一体化复合材料坯体在500-800℃下进行高温热处理，以去除疏水涂层及进行陶瓷化处理。
10.根据权利要求1-9任一所述的透波烧蚀隔热一体化材料的制备方法，其特征是，去除超疏水涂层疏水效果的所述一体化的复合材料坯体经制备气凝胶，得到透波烧蚀隔热一体化材料，包括：
浸渍：将一体化的复合材料坯体浸入溶胶中，在室温或加热条件下胶凝，得到纤维增强型二氧化硅湿凝胶；
老化：在室温或加热条件下老化；
溶剂置换：将老化后的纤维增强湿凝胶材料放入有机溶剂溶剂中；
超临界干燥处理：对上述纤维增强湿凝胶进行超临界干燥处理，得到透波烧蚀隔热一体化材料坯体；
加工：透波烧蚀隔热一体化材料坯体精加工，得到产品。
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CN110978660A (zh) * 2019-12-16 2020-04-10 航天特种材料及工艺技术研究所 一种梯度纤维预制体的设计方法

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