CN110483947A - 一种可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料，包括骨架材料和填充物，所述的骨架材料采用高硅氧纤维毡或整体碳毡；所述的填充物采用酚醛树脂，包括氨酚醛树脂、硼酚醛树脂、钠酚醛树脂、钡酚醛树脂和镁酚醛树脂；所述的酚醛树脂稀释后通过真空浸渍法渗入高硅氧纤维毡或整体碳毡内部，经固化后酚醛树脂的重量比为40～65％。本发明提供的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料可以方便的粘接于固体姿态控制发动机外表面，防止姿态控制发动机金属结构因受热软化失去强度，在保证热防护效果的情况下有效的降低了结构重量，提高了系统的整体性能，适合于不同受热环境下的固体姿态控制发动机外放热。

Description

一种可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料
技术领域
本发明涉及一种隔热材料，用于固体姿态控制发动机外表面隔热，用于阻隔主发动机尾焰热辐射加热，还可以用于阻隔上升段气动加热，属于固体火箭发动机热防护领域。
背景技术
酚醛浸渍轻质隔热材料用于隔绝固体火箭发动机尾焰热辐射对安装于尾舱内的固体姿态控制发动机的影响，防止姿态控制发动机金属壳体结构受热失稳，防止辐射加热造成姿态控制发动机推进剂意外点燃，同时也可以用于阻隔火箭上升段与空气磨擦产生的气动加热。
用于姿态控制发动机外表面的热防护材料可以是防热涂料、橡胶绝热层或高硅氧/酚醛烧蚀材料，依据不同的热环境和结构重量要求进行材料的选择。防热涂料可以喷涂或刷涂方法涂敷于姿控发动机外表面，受姿控发动机外形限制最小，工艺性能较好。防热涂料对300℃左右气动加热的防护性能较好，但在主发动机尾焰热辐射等热流密度较大的条件下防护时间较短，采用加厚涂层方法增加防护时间时容易因应力造成涂层开裂或脱落。
橡胶绝热层应用于热流密度更高热防护环境，依靠较低的热导系数对部件进行热防护，对主发动机尾焰热辐射作用具有较好的热防护作用。橡胶绝热层密度在0.8～1.2g/cm3之间，材料密度下降空间有限，对热防护结构重量要求较严格的条件适应性较小。并且，对于外形较为复杂的姿态控制发动机，橡胶绝热层需要专用模具粘接于曲面上，模具设计制造成本较高，工艺实施较为复杂。
高硅氧/酚醛烧蚀材料用于直接与燃气温度大于1500℃接触的结构件的防热，其防热原理是的燃气作用下烧蚀材料表面形成碳层，利用碳层的热辐射效应将绝大部分热量辐射至环境中，保护底层结构件不受高温燃气影响。高硅氧/酚醛材料只有在成碳温度以上才具有防热作用，并且其密度是三种防热材料中最高的，可达到1.7g/cm3以上。对于温度较低的气动加热防护效果不佳，较高的密度造成防热结构重量居高不下，影响系统整体性能。
针对姿态控制发动机热环境进行定向设计的外隔热材料是降低结构重量、提高系统性能的重要因素，但固体姿控发动机在国内处于单项技术研究与分系统集成研究阶段，同时固体姿态控制发动机为一种特殊的产品，难以在公开资料中难以查找到相关信息。行业标准中涉及的外防热材料与工艺规范均针对外防热涂料。通过互联网对国家知识产权局的国内专利和链接的国外专利机构的查询，没有查找到适用于固体姿态控制发动机外防热的轻质隔热材料方面的相关信息。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料，根据固体姿控发动机热环境，其密度在0.35～0.85g/cm3之间调整，以适应热源和结构重量要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料，包括骨架材料和填充物；所述的骨架材料采用高硅氧纤维毡或整体碳毡；所述的填充物采用酚醛树脂，包括氨酚醛树脂、硼酚醛树脂、钠酚醛树脂、钡酚醛树脂和镁酚醛树脂；所述的酚醛树脂稀释后通过真空浸渍法渗入高硅氧纤维毡或整体碳毡内部，经固化后酚醛树脂的重量比为40～65％。
所述的酚醛树脂通过真空浸渍方法渗入高硅氧毡或整体碳毡内部，经低压抽取溶剂后，对浸渍物施加温度和压力，固化温度范围为155～215℃，单位面积成型压力为0.8～1.5MPa，固化时间为3～5min。
所述的骨架材料选用高硅氧纤维毡，填充物选用钡酚醛树脂，钡酚醛树脂稀释至15wt％后进行渗入，钡酚醛树脂含量为42wt％，固化温度为160±5℃，单位面积成型压力为0.8MPa。
所述的骨架材料选用高硅氧纤维毡，填充物选用硼酚醛树脂，硼酚醛树脂稀释至20wt％后进行渗入，硼酚醛树脂含量为54wt％，固化温度为200±5℃，单位面积成型压力为1.5MPa。
所述的骨架材料选用整体碳毡，填充物选用硼酚醛树脂，硼酚醛树脂稀释至15wt％后进行渗入，硼酚醛树脂含量为63wt％，固化温度为200±5℃，单位面积成型压力为1.5MPa。
所述的酚醛树脂通过两次真空浸渍方法渗入高硅氧毡或整体碳毡内部。
本发明的有益效果是：提供的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料采用高硅氧纤维毡或碳纤维毡作为骨架材料，酚醛树脂作为填充物，通过不同骨架材料和填充密度的组合以获得适用于不同热流密度的隔热材料。通过调整隔热材料的骨架材料和密度，隔热材料既可以应用于防护固体火箭发动机尾焰热辐射，也可以应用于防护气动加热。
采用本发明提供的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料可以方便的粘接于固体姿态控制发动机外表面，防止姿态控制发动机金属结构因受热软化失去强度。本发明提供的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料密度小于常规防热材料，在保证热防护效果的情况下有效的降低了结构重量，提高了系统的整体性能。本发明提供的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料密度可在0.35～0.85g/cm3之间进行设计，热导率在0.13～0.36W/m·K之间进行选择和调节。本发明提供的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料适合于不同受热环境下的固体姿态控制发动机外放热。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料基于以下基本要求：酚醛浸渍轻质隔热材料根据姿控发动机外表面热环境要求密度可调，在给定的热环境条件下对姿态控制发动机提供可靠的热防护。可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料环境适应性满足姿态控制发动机工作和储运环境条件。可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料应在勤务条件下不出现腐蚀和老化。
本发明提供的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料表面碳化后向外辐射的热流基于以下公式：
q＝εσT4
其中：
q表示向外辐射的热流；
ε表示辐射系数；
σ表示波尔茨曼常数；
T表示表面温度。
本发明提供的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料＝导热系数基于以下公式：
λ＝γ[P1λg+(1-P2λs)]
其中：
λ表示热导系数；
γ表示与热流方向一致的纤维并联体积分数；
P1、P2表示空隙率参数；
λg表示空气热导系数；
λs表示纤维热导系数。
本发明提供的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料基于以下基本材料：高硅氧纤维毡或整体碳毡；酚醛树脂，可以是氨酚醛树脂、硼酚醛树脂、钠酚醛树脂、钡酚醛树脂、镁酚醛树脂。将酚醛树脂稀释后通过真空浸渍法渗入高硅氧纤维毡或整体碳毡内部，经固化后可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料酚醛树脂的含量在40～65％之间。
本发明提供的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料经固化后，其孔隙率在36～79％之间，材料密度在0.35～0.85g/cm3之间。可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料经固化后，具有良好的耐候性和耐酸性介质腐蚀性。
本发明提供的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料经固化后热导率在0.13～0.36W/m·K，比热容在1.25～1.35kJ/kg·K。
本发明提供的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料经固化后压缩强度在18.5～28.5MPa之间，弯曲强度在20～35MPa之间。
本发明提供的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料基于以下基本工艺过程：酚醛树脂稀释后，通过真空浸渍方法渗入高硅氧毡或整体碳毡内部，经低压抽取溶剂后，对浸渍物施加温度和压力，固化温度范围为155～215℃，单位面积成型压力为0.8～1.5MPa，为保证在浸渍体成型过程中基体树脂充分固化，固化时间为3～5min/mm。
本发明提供的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料基于以下基本设计思想：通过控制隔热材料中的树脂含量和空隙率，获得一系列不同密度、热导系数的轻质隔热材料。对于热流密度较低的以气动加热为主要热环境的防护条件，采用密度较低的隔热材料。对于热流密度较高，以主发动机尾焰热辐射为主要热环境的防护条件，采用密度较高的隔热材料。
本发明提供的主要用于气动加热防护的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料，其增强材料为高硅氧纤维毡，基体树脂为钡酚醛树脂，酚醛树脂稀释至15％，基体树脂含量为42％，固化温度为160±5℃，单位面积成型压力为0.8MPa。酚醛浸渍轻质隔热材料固化后，其密度为0.38g/cm3，制品孔隙率为72％；酚醛浸渍轻质隔热材料固化后，热导率为0.15W/m·K，压缩强度在20.5MPa，弯曲强度在23MPa。
本发明提供的主要用于长航时气动加热防护的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料，其增强材料为高硅氧纤维毡，基体树脂为硼酚醛树脂，酚醛树脂稀释至20％，基体树脂含量为54％，固化温度为200±5℃，单位面积成型压力为1.5MPa。酚醛浸渍轻质隔热材料固化后，其密度为0.46g/cm3，制品孔隙率为64％；酚醛浸渍轻质隔热材料固化后，热导率为0.22W/m·K，压缩强度在22.4MPa，弯曲强度在25.6MPa。
本发明提供的主要用于固体火箭发动机尾焰热辐射加热防护的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料，其增强材料为整体碳毡，基体树脂为硼酚醛树脂，酚醛树脂稀释至15％，采用两次浸渍法提高隔热材料密度。基体树脂含量为63％，固化温度为200±5℃，单位面积成型压力为1.5MPa。酚醛浸渍轻质隔热材料固化后，其密度为0.78g/cm3，制品孔隙率为41％；酚醛浸渍轻质隔热材料固化后，热导率为0.34W/m·K，压缩强度在26.1MPa，弯曲强度在30.2MPa。
实施实例1
主要用于气动加热防护，热流密度300kw/m2的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料，其增强材料为高硅氧纤维毡，基体树脂为钡酚醛树脂，酚醛树脂稀释至15％，基体树脂含量为42％，固化温度为160±5℃，单位面积成型压力为0.8MPa。酚醛浸渍轻质隔热材料固化后，其密度为0.38g/cm3，制品孔隙率为72％；酚醛浸渍轻质隔热材料固化后，热导率为0.15W/m·K，压缩强度在20.5MPa，弯曲强度在23MPa。受热面施加热流后，加热600秒，背热面稳定温度为120度，符合设计要求。
实施实例2
主要用于长航时气动加热防护的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料，其增强材料为高硅氧纤维毡，基体树脂为硼酚醛树脂，酚醛树脂稀释至20％，基体树脂含量为54％，固化温度为200±5℃，单位面积成型压力为1.5MPa。酚醛浸渍轻质隔热材料固化后，其密度为0.46g/cm3，制品孔隙率为64％；酚醛浸渍轻质隔热材料固化后，热导率为0.22W/m·K，压缩强度在22.4MPa，弯曲强度在25.6MPa。受热面施加热流后，加热1200秒，背热面稳定温度为150度，符合设计要求。
实施实例3
主要用于固体火箭发动机尾焰热辐射加热防护的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料，其增强材料为整体碳毡，基体树脂为硼酚醛树脂，酚醛树脂稀释至15％，采用两次浸渍法提高隔热材料密度。基体树脂含量为63％，固化温度为200±5℃，单位面积成型压力为1.5MPa。酚醛浸渍轻质隔热材料固化后，其密度为0.78g/cm3，制品孔隙率为41％；酚醛浸渍轻质隔热材料固化后，热导率为0.34W/m·K，压缩强度在26.1MPa，弯曲强度在30.2MPa。受热面施加热流后，加热40秒，背热面稳定温度为80度，符合设计要求。

Claims (6)

1.一种可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料，包括骨架材料和填充物，其特征在于：所述的骨架材料采用高硅氧纤维毡或整体碳毡；所述的填充物采用酚醛树脂，包括氨酚醛树脂、硼酚醛树脂、钠酚醛树脂、钡酚醛树脂和镁酚醛树脂；所述的酚醛树脂稀释后通过真空浸渍法渗入高硅氧纤维毡或整体碳毡内部，经固化后酚醛树脂的重量比为40～65％。
2.根据权利要求1所述的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料，其特征在于：所述的酚醛树脂通过真空浸渍方法渗入高硅氧毡或整体碳毡内部，经低压抽取溶剂后，对浸渍物施加温度和压力，固化温度范围为155～215℃，单位面积成型压力为0.8～1.5MPa，固化时间为3～5min。
3.根据权利要求2所述的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料，其特征在于：所述的骨架材料选用高硅氧纤维毡，填充物选用钡酚醛树脂，钡酚醛树脂稀释至15wt％后进行渗入，钡酚醛树脂含量为42wt％，固化温度为160±5℃，单位面积成型压力为0.8MPa。
4.根据权利要求2所述的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料，其特征在于：所述的骨架材料选用高硅氧纤维毡，填充物选用硼酚醛树脂，硼酚醛树脂稀释至20wt％后进行渗入，硼酚醛树脂含量为54wt％，固化温度为200±5℃，单位面积成型压力为1.5MPa。
5.根据权利要求2所述的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料，其特征在于：所述的骨架材料选用整体碳毡，填充物选用硼酚醛树脂，硼酚醛树脂稀释至15wt％后进行渗入，硼酚醛树脂含量为63wt％，固化温度为200±5℃，单位面积成型压力为1.5MPa。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的可调密度酚醛浸渍轻质隔热材料，其特征在于：所述的酚醛树脂通过两次真空浸渍方法渗入高硅氧毡或整体碳毡内部。
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