CN110001160A - 一种耐高温的多层复合隔热部件及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温的多层复合隔热部件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种耐高温的多层复合隔热部件是由反射层和热阻层层叠组成，靠近热面的反射层为隔热部件的热面表层，靠近冷面的反射层为隔热部件的冷面表层，所述反射层是采用镀有高反射率材料的金属箔，所述热阻层是采用低导热系数的隔热材料。一种耐高温的多层复合隔热部件是由特定材料配合特定厚度，使得本发明产品隔热效果好，导热系数为0.017W/（m•K）~0.025W/（m•K），当热面温度为900℃，其冷面温度可低于600℃，另一方面，隔热效果稳定性优异，48小时内不衰减，即48小时内，冷面温度稳定不升高，制备方法简单可行，特别适用于航空热端部位隔热，值得市场推广应用。

Description

一种耐高温的多层复合隔热部件及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种耐高温的多层复合隔热部件及其制备方法。
背景技术
发动机是直升机“心脏”，采用大功率发动机是提高直升机机动性和飞行速度的基础。发动机功率的提高，需要燃气温度进一步提高，发动机燃气涡轮出口温度高达900℃，动力涡轮机匣需进行隔热处理，动力涡轮机匣的工作温度要求在600℃以下。
目前，采用的超细玻璃棉、石棉类传统隔热材料，存在导热系数高、厚度大、重量大、不环保、维护不便、粉化振动脱落等问题，采用传统隔热板进行遮挡，面密度达4.5kg/m2，机匣温度仍达650℃，不能满足要求，急需采用耐高温、低传热的超薄型、模块化轻质高效隔热制品。多层复合高效隔热制品有导热系数低、面密度低、环保等特点，通常采用反射层和热阻层层叠组成，隔热层通常是具有低导热系数的纤维或多孔材料，通常有纤维纸、纤维毡、纤维垫、纤维板以及气凝胶毡等。反射层通常分为两类，一类是金属箔，如铝箔、铜箔、金箔、镍箔、钼箔、不锈钢箔等；另一类是表面镀金属层的高分子薄膜，如镀有金或铝的聚脂薄膜或聚酰亚胺薄膜等。材料的反射率值受其初始表面状态和使用温度的影响，常用的反射层材料铝密度低，在严重氧化的状态下仍具有较高的反射率值，但其使用温度偏低，不适用于高温隔热环境。耐高温的反射层材料有镍箔、不锈钢箔，在工业化应用中，镍箔、不锈钢箔最小厚度分别可达0.05mm和0.03mm，密度分别为8.9g/cm3和7.9g/cm3；银在可见光和近红外光部份为最佳的反射材料，反射率可以达到99.2％。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温的多层复合隔热部件。
本发明的另一个目的在于提供上述耐高温的多层复合隔热部件的制备方法。
本发明的目的是通过如下技术措施实现的：
一种耐高温的多层复合隔热部件，其特征在于，它是由反射层和热阻层层叠组成，靠近热面的反射层为隔热部件的热面表层，靠近冷面的反射层为隔热部件的冷面表层，所述反射层是采用镀有高反射率材料的金属箔，所述热阻层是采用低导热系数的隔热材料。
进一步，上述高反射率材料为金，银，镍中的一种，上述低导热系数的隔热材料为是陶瓷纤维纸、陶瓷纤维毡、陶瓷纤维垫、陶瓷纤维板、气凝胶毡中的一种。
进一步，上述高反射率材料优选为银，上述低导热系数的隔热材料优选为陶瓷纤维纸。
进一步，上述反射层是表面镀银的不锈钢箔，其厚度为0.03mm～0.035mm，上述热阻层是陶瓷纤维纸，其厚度为0.25mm～0.27mm，所述反射层与热阻层的总厚度不大于2mm。
一种耐高温的多层复合隔热部件的制备方法，其特征在于，它是由反射层和热阻层层叠组成，靠近热面的反射层为隔热部件的热面表层，靠近冷面的反射层为隔热部件的冷面表层；其中所述隔热部件是采用组合成型工艺，先根据装备外形尺寸，对隔热部件进行分型设计，再根据热阻层和反射层的铺层结构设计，完成隔热部件的铺层，然后根据分型设计对完成铺层的隔热部件进行下料，最后隔热部件的热面表层和冷面表层，通过对产品内型和外型分别分型后组焊连接而成，在模具上实现整形和固形，隔热层置于组焊的壳体内部；所述热阻层，先放在箱式电阻炉中进行预处理，预处理温度为600℃～700℃，时间为15min～25min，烘烤结束后取出热阻层，在空气中自然冷却，对处理完毕的热阻层进行检验，外观呈均匀白色、无黑色斑点、不粉化；所述反射层，是将0.03mm～0.035mm厚的不锈钢箔正反面镀上高反射率金属银，先清洗不锈钢箔正反面，整个清洗过程在无尘车间进行，采用直流换向开关来实现先阴级后阳极电解除油。
进一步，上述清洗步骤为：一级电解除油-纯净水清洗-二级电解除油-纯净水清洗-高纯水喷淋-烘干-离子源清洗，再采用磁控溅射方式在不锈钢箔正反两面镀上银，镀层厚度为100nm～200nm，银的平均溅射速度为2500nm/min～2650nm/min。
进一步，上述反射层的银表面还需镀上陶瓷保护层，其厚度为10nm～20nm。
本发明的有益效果在于：
本发明耐高温的多层复合隔热部件是由特定材料配合特定厚度，使得本发明产品隔热效果好，导热系数为0.017W/(m·K)～0.025W/(m·K)，当热面温度为900℃，其冷面温度可低于600℃，另一方面，隔热效果稳定性优异，48小时内不衰减(即48小时内，冷面温度稳定不升高)，制备方法简单可行，特别适用于航空热端部位隔热，值得市场推广应用。
附图说明
图1：为本发明多层复合隔热部件示意图。
图2：为本发明多层复合隔热部件工作原理图。
图3：为本发明多层复合隔热部件的反射层SEM图。
图4：为本发明多层复合隔热部件组合成型工艺流程图。
图5：为本发明多层复合隔热部件隔热性能测试示意图。
图6：为本发明多层复合隔热部件多层结构试样图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
实施例1
一种耐高温的多层复合隔热部件:它是由反射层和热阻层层叠组成，靠近热面的反射层为隔热部件的热面表层，靠近冷面的反射层为隔热部件的冷面表层，所述反射层是采用镀有高反射率材料的金属箔，所述热阻层是采用低导热系数的隔热材料；所述高反射率材料为银，所述低导热系数的隔热材料为陶瓷纤维纸；所述反射层是表面镀银的不锈钢箔，其厚度为0.033mm，上述热阻层是陶瓷纤维纸，其厚度为0.26mm，所述反射层与热阻层的总厚度不大于2mm。
上述耐高温的多层复合隔热部件的制备方法：先根据装备外形尺寸，对隔热部件进行分型设计，再根据热阻层和反射层的铺层结构设计，完成隔热部件的铺层，然后根据分型设计对完成铺层的隔热部件进行下料，最后隔热部件的热面表层和冷面表层通过对产品内型和外型分别分型后组焊连接而成，在模具上实现整形和固形，隔热层置于组焊的壳体内部；所述热阻层，先放在箱式电阻炉中进行预处理，预处理温度为650℃，时间为20min，烘烤结束后取出热阻层，在空气中自然冷却，对处理完毕的热阻层进行检验，外观呈均匀白色、无黑色斑点、不粉化；所述反射层，是将0.032mm厚的不锈钢箔正反面镀上高反射率金属银，先清洗不锈钢箔正反面，整个清洗过程在无尘车间进行，采用直流换向开关来实现先阴级后阳极电解除油。上述清洗步骤为：一级电解除油-纯净水清洗-二级电解除油-纯净水清洗-高纯水喷淋-烘干-离子源清洗，再采用磁控溅射方式在不锈钢箔正反两面镀上银，镀层厚度为150nm，银的平均溅射速度为2600nm/min。上述反射层的银表面还需镀上陶瓷保护层，其厚度为15nm，进一步，上述高反射率材料为银，上述低导热系数的隔热材料为陶瓷纤维纸；上述反射层是表面镀银的不锈钢箔，其厚度为0.032mm，上述热阻层是陶瓷纤维纸，其厚度为0.26mm，所述反射层与热阻层的总厚度不大于2mm。
实验一：导热系数测试
制备多层复合隔热材料测试试样，按照GB/T 10295《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流计法》相关规定进行导热系数测试。具体步骤如下：
制备长300mm、宽300mm的标准试样。试样为镀银不锈钢箔与陶瓷纤维纸交替层叠组成的多层复合隔热材料。首先进行试样检查，试样表面平整，试样的尺寸能完全覆盖加热和冷却单元及热流计的工作表面，试样和工作表面之间能紧密的接触，然后用装在板四角的垂直于板面的测量针测量试样厚度，再观察热流计平均温度和输出电势、试样的平均温度以及温差来检查热平衡状态，在达到平衡以后，测量试样热、冷面的温度，最后利用观察到的稳态数据的平均值进行所有的计算。试样的热阻R按下式计算：
式中，f为热流计的标定系数，单位为瓦每平方米伏[W/(m2·V)]，e为热流计的输出，单位为伏(V)。导热系数按下式计算：
式中，d为试样的平均厚度。
经测试及计算，试样的导热系数为0.0187W/(m·K)。
实验二：隔热性能测试：
制备多层复合隔热制品测试试样(见附图6)，参照Q/CD 3229-2017《隔热性能测试规范温度差法》进行隔热性能测试，具体步骤如下：
制备长350mm、宽250mm、厚度1.32mm的标准试样1、试样2。其中试样1为不锈钢箔与陶瓷纤维纸交替层叠组成的多层复合隔热材料，不锈钢箔反射率为85％；试样2为镀银不锈钢箔与陶瓷纤维纸交替层叠组成的多层复合隔热材料，镀银不锈钢箔反射率为94％。隔热性能测试示意图如附图5所示，将隔热样件固定在加热设备上，试样冷面布置了3个测温点，用热电偶连续采集试样冷面温度。经测试，热面温度为900℃，保温时间为48小时，传统的多层复合隔热材料(试样1)和耐高温高反射率多层复合隔热材料(试样2)冷面最高温度分别为614.8℃、577.2℃，耐高温高反射率多层复合隔热材料冷面最高温度比传统的多层复合隔热材料冷面最高温度低37.6℃，隔热效率提高6.12％。具体情况见表1。
表1隔热测试具体情况
实验三：隔热性能测试：
制备多层复合隔热制品测试试样，参照Q/CD 3229-2017《隔热性能测试规范温度差法》进行隔热性能测试，具体步骤如下：
制备长350mm、宽250mm、厚度1.75mm的标准试样1、试样2。其中试样1为不锈钢箔与陶瓷纤维纸交替层叠组成的多层复合隔热材料，不锈钢箔反射率为85％；试样2为镀镍不锈钢箔与陶瓷纤维纸交替层叠组成的多层复合隔热材料，镀镍不锈钢箔反射率为91％。隔热性能测试示意图如附图5所示，将隔热样件固定在加热设备上，试样冷面布置了3个测温点，用热电偶连续采集试样冷面温度。经测试，热面温度为900℃，保温时间为48小时，传统的多层复合隔热材料(试样1)和耐高温高反射率多层复合隔热材料(试样2)冷面最高温度分别为469.7℃、440.5℃，耐高温高反射率多层复合隔热材料冷面最高温度比传统的多层复合隔热材料冷面最高温度低29.2℃，隔热效率提高6.22％，具体情况见表2。
表2隔热测试具体情况
实施例2
一种耐高温的多层复合隔热部件:它是由反射层和热阻层层叠组成，靠近热面的反射层为隔热部件的热面表层，靠近冷面的反射层为隔热部件的冷面表层，所述反射层是采用镀有高反射率材料的金属箔，所述热阻层是采用低导热系数的隔热材料；所述高反射率材料为银，所述低导热系数的隔热材料为陶瓷纤维纸；所述反射层是表面镀银的不锈钢箔，其厚度为0.03mm，上述热阻层是陶瓷纤维纸，其厚度为0.25mm，所述反射层与热阻层的总厚度不大于2mm。
上述耐高温的多层复合隔热部件的制备方法：先根据装备外形尺寸，对隔热部件进行分型设计，再根据热阻层和反射层的铺层结构设计，完成隔热部件的铺层，然后根据分型设计对完成铺层的隔热部件进行下料，最后隔热部件的热面表层和冷面表层，通过对产品内型和外型分别分型后组焊连接而成，在模具上实现整形和固形，隔热层置于组焊的壳体内部；所述热阻层，先放在箱式电阻炉中进行预处理，预处理温度为700℃，时间为15min，烘烤结束后取出热阻层，在空气中自然冷却，对处理完毕的热阻层进行检验，外观呈均匀白色、无黑色斑点、不粉化；所述反射层，是将0.035mm厚的不锈钢箔正反面镀上高反射率金属银，先清洗不锈钢箔正反面，整个清洗过程在无尘车间进行，采用直流换向开关来实现先阴级后阳极电解除油。上述清洗步骤为：一级电解除油-纯净水清洗-二级电解除油-纯净水清洗-高纯水喷淋-烘干-离子源清洗，再采用磁控溅射方式在不锈钢箔正反两面镀上银，镀层厚度为200nm，银的平均溅射速度为2500nm/min。上述反射层的银表面还需镀上陶瓷保护层，其厚度为20nm，进一步，上述高反射率材料为银，上述低导热系数的隔热材料为陶瓷纤维纸；上述反射层是表面镀银的不锈钢箔，其厚度为0.035mm，上述热阻层是陶瓷纤维纸，其厚度为0.25mm，所述反射层与热阻层的总厚度不大于2mm。
按实施例1的实验方法，分别进行导热性能测试与隔热性能测试，结果表明，本品隔热效果好，导热系数为0.025W/(m·K)，隔热性能测试表明，当热面温度为900℃，其冷面温度可低于600℃，产品48小时内隔热效果不衰减，证明隔热稳定性好。
实施例3
一种耐高温的多层复合隔热部件:它是由反射层和热阻层层叠组成，靠近热面的反射层为隔热部件的热面表层，靠近冷面的反射层为隔热部件的冷面表层，所述反射层是采用镀有高反射率材料的金属箔，所述热阻层是采用低导热系数的隔热材料；所述高反射率材料为银，所述低导热系数的隔热材料为陶瓷纤维纸；所述反射层是表面镀银的不锈钢箔，其厚度为0.035mm，上述热阻层是陶瓷纤维纸，其厚度为0.27mm，所述反射层与热阻层的总厚度不大于2mm。
上述耐高温的多层复合隔热部件的制备方法：先根据装备外形尺寸，对隔热部件进行分型设计，再根据热阻层和反射层的铺层结构设计，完成隔热部件的铺层，然后根据分型设计反射层包括的热面表层、冷面表层以及隔热部件(隔热部件即层叠好的反射层和热阻层)进行下料，最后隔热部件的热面表层和冷面表层，通过对产品内型和外型分别分型后组焊连接而成，在模具上实现整形和固形，隔热层置于组焊的壳体内部；所述热阻层，先放在箱式电阻炉中进行预处理，预处理温度为600℃，时间为25min，烘烤结束后取出热阻层，在空气中自然冷却，对处理完毕的热阻层进行检验，要求外观呈均匀白色、无黑色斑点、不粉化；所述反射层，是将0.035mm厚的不锈钢箔正反面镀上高反射率金属银，先清洗不锈钢箔正反面，整个清洗过程在无尘车间进行，采用直流换向开关来实现先阴级后阳极电解除油。上述清洗步骤为：一级电解除油-纯净水清洗-二级电解除油-纯净水清洗-高纯水喷淋-烘干-离子源清洗，再采用磁控溅射方式在不锈钢箔正反两面镀上银，镀层厚度为100nm，银的平均溅射速度为2500nm/min。上述反射层的银表面还需镀上陶瓷保护层，其厚度为10nm，进一步，上述高反射率材料为银，上述低导热系数的隔热材料为陶瓷纤维纸；上述反射层是表面镀银的不锈钢箔，其厚度为0.03mm，上述热阻层是陶瓷纤维纸，其厚度为0.25mm，所述反射层与热阻层的总厚度不大于2mm。
按实施例1的实验方法，分别进行导热性能测试与隔热性能测试，结果表明，本品隔热效果好，导热系数为0.021W/(m·K)，隔热性能测试表明，当热面温度为900℃，其冷面温度可低于600℃，产品48小时内隔热效果不衰减，证明隔热稳定性好。

Claims (7)

1.一种耐高温的多层复合隔热部件，其特征在于:它是由反射层和热阻层层叠组成，靠近热面的反射层为隔热部件的热面表层，靠近冷面的反射层为隔热部件的冷面表层，所述反射层是采用镀有高反射率材料的金属箔，所述热阻层是采用低导热系数的隔热材料。
2.如权利要求1所述的一种耐高温的多层复合隔热部件，其特征在于:上述高反射率材料为金，银，镍中的一种，上述低导热系数的隔热材料为是陶瓷纤维纸、陶瓷纤维毡、陶瓷纤维垫、陶瓷纤维板、气凝胶毡中的一种。
3.如权利要求2所述的一种耐高温的多层复合隔热部件，其特征在于:上述高反射率材料优选为银，上述低导热系数的隔热材料优选为陶瓷纤维纸。
4.如权利要求3所述的一种耐高温的多层复合隔热部件，其特征在于:上述反射层是表面镀银的不锈钢箔，其厚度为0.03mm~0.035mm，上述热阻层是陶瓷纤维纸，其厚度为0.25mm~0.27mm，所述反射层与热阻层的总厚度不大于2mm。
5.如权利要求4所述的一种耐高温的多层复合隔热部件的制备方法，其特征在于：它是由反射层和热阻层层叠组成，靠近热面的热阻层为隔热部件的热面表层，靠近冷面的热阻层为隔热部件的冷面表层；其中所述隔热部件是采用组合成型工艺，先根据装备外形尺寸，对隔热部件进行分型设计，再根据热阻层和反射层的铺层结构设计，完成隔热部件的铺层，然后根据分型设计对完成铺层的隔热部件进行下料，最后隔热部件的热面表层和冷面表层，通过对产品内型和外型分别分型后组焊连接而成，在模具上实现整形和固形，隔热层置于组焊的壳体内部；所述热阻层，先放在箱式电阻炉中进行预处理，预处理温度为600℃～700℃，时间为15min～25min，烘烤结束后取出热阻层，在空气中自然冷却，对处理完毕的热阻层进行检验，外观呈均匀白色、无黑色斑点、不粉化；所述反射层，是将0.03mm~0.035mm厚的不锈钢箔正反面镀上高反射率金属银，先清洗不锈钢箔正反面，整个清洗过程在无尘车间进行，采用直流换向开关来实现先阴级后阳极电解除油。
6.如权利要求5所述的一种耐高温的多层复合隔热部件的制备方法，其特征在于:上述清洗步骤为：一级电解除油-纯净水清洗-二级电解除油-纯净水清洗-高纯水喷淋-烘干-离子源清洗，再采用磁控溅射方式在不锈钢箔正反两面镀上银，镀层厚度为100nm~200nm，银的平均溅射速度为2500nm/min~2650nm/min。
7.如权利要求6所述的一种耐高温的多层复合隔热部件的制备方法，其特征在于:上述反射层的银表面还需镀上陶瓷保护层，其厚度为10nm~20nm。
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