CN110637512B - 冲压发动机用柔性梯度隔热材料 - Google Patents
冲压发动机用柔性梯度隔热材料 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110637512B CN110637512B CN200710083955.8A CN200710083955A CN110637512B CN 110637512 B CN110637512 B CN 110637512B CN 200710083955 A CN200710083955 A CN 200710083955A CN 110637512 B CN110637512 B CN 110637512B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- temperature
- alumina
- aluminum phosphate
- aluminum
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 174
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 77
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 46
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims abstract description 42
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims abstract description 42
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 41
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 37
- 239000000378 calcium silicate Substances 0.000 claims abstract description 36
- 229910052918 calcium silicate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 36
- OYACROKNLOSFPA-UHFFFAOYSA-N calcium;dioxido(oxo)silane Chemical compound [Ca+2].[O-][Si]([O-])=O OYACROKNLOSFPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims abstract description 31
- YKTSYUJCYHOUJP-UHFFFAOYSA-N [O--].[Al+3].[Al+3].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] Chemical compound [O--].[Al+3].[Al+3].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] YKTSYUJCYHOUJP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 5
- ILRRQNADMUWWFW-UHFFFAOYSA-K aluminium phosphate Chemical compound O1[Al]2OP1(=O)O2 ILRRQNADMUWWFW-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 40
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 37
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 35
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 23
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 18
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 18
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 15
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 15
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 claims description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 14
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 claims description 6
- 238000010345 tape casting Methods 0.000 claims description 6
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 claims description 5
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011268 mixed slurry Substances 0.000 claims description 4
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 claims description 4
- 239000002759 woven fabric Substances 0.000 claims description 4
- WNROFYMDJYEPJX-UHFFFAOYSA-K aluminium hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[OH-].[Al+3] WNROFYMDJYEPJX-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 3
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 3
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229920002401 polyacrylamide Polymers 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- AKMZSNOVSFMEQQ-UHFFFAOYSA-K dialuminum oxygen(2-) phosphate Chemical compound [O-2].[Al+3].[Al+3].[O-]P([O-])([O-])=O AKMZSNOVSFMEQQ-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 claims 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract description 2
- 238000011900 installation process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 37
- QFXZANXYUCUTQH-UHFFFAOYSA-N ethynol Chemical group OC#C QFXZANXYUCUTQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 18
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 15
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 14
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 13
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 13
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 5
- 239000005357 flat glass Substances 0.000 description 5
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 3
- 239000011505 plaster Substances 0.000 description 3
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 3
- MXRIRQGCELJRSN-UHFFFAOYSA-N O.O.O.[Al] Chemical compound O.O.O.[Al] MXRIRQGCELJRSN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 2
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 2
- 238000003828 vacuum filtration Methods 0.000 description 2
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 2
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 1
- 238000009422 external insulation Methods 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000011491 glass wool Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000000967 suction filtration Methods 0.000 description 1
- 230000003685 thermal hair damage Effects 0.000 description 1
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Laminated Bodies (AREA)
- Paper (AREA)
Abstract
本发明提供一种耐高温、柔性、梯度隔热的材料和制造工艺，该隔热材料沿厚度方向分成四层：高温层，用碳纤维织物或碳纤维织物夹持氧化铝或氧化锆组成的复合材料用以抵御发动机燃烧室外壳的温度；中温层，由氧化铝纤维或硅酸铝纤维构成，将温度降至1400K左右；低温层，为多层硅酸钙复合柔性纸，将温度降至800K以下；保护层，由玻璃纤维胶布构成，作为整个隔热材料的保护外皮，可以防止运输、安装过程中对隔热层的损坏。本发明的隔热材料能满足冲压发动机燃烧室对隔热材料提出的耐高温、巨大的降温梯度、抗震动等多方面要求，可用于高超音速导弹用液体燃料冲压发动机和XX导弹用整体式固液组合冲压发动机的外部隔热。
Description
技术领域
本发明涉及隔热、保温技术领域，包括一种隔热材料的结构设计和制造工艺。
具体为用于液体燃料冲压发动机和整体式固液组合冲压发动机燃烧室的被动隔热材料，其特点是材料具有柔性，沿材料的厚度方向其耐高温能力和导热率都由高到低变化。
现有技术
高超音速导弹用液体燃料冲压发动机和XX导弹用整体式固液组合冲压发动机工作时，冲压发动机外壁的温度高达2100K，发动机工作时有比较强烈的震动，隔热材料厚度只允许十多毫米。在发动机工作的600秒钟内要求隔热材料外壁的温度不超过800K，同时要求保持隔热材料的完整性不被破坏。
国内现有的耐高温隔热材料主要由碳纤维毯、毡，氧化铝纤维或硅酸铝纤维制成的毯、板和氧化铝空心球材料等(崔之开编著“陶瓷纤维”，化学工业出版社，2004)这些隔热材料虽然可以经受2000K上下的高温，但是它们的高温导热率都比较高，不能满足上述隔热要求。另一方面，现有导热率小的材料，如玻璃棉之类，又经受不住2000K的高温，因此目前国内没有现成的隔热材料可直接用作上述冲压发动机燃烧室的热防护层。
本发明申请单位曾经研制出一种微孔硅酸钙和硅酸铝纤维复合的柔性陶瓷纸(申请号：2006 1008 9310.0，公开日2006年11月15日)，其极限工作温度为1470K，并具有相当低的导热系数。但是这种陶瓷纸的最高工作温度也明显低于发动机燃烧室外壁的温度，也不能单独将此用于发动机燃烧室的隔热。
美国曾报道使用氧化锆和一种牌号为MIN-K2000的低导热率材料组成的复合隔热材料或单独用MIN-K2000作为冲压发动机燃烧室的外部隔热。(Bruns，AlfredE.；Lehman，Jerry K.；Wetzler，Dallas G.and Holman，Jr.，Harry A，UnitedStates Statutory Invention Registration：H0000140，Carbon/carboncombustor external insulation，1986)。MIN-K2000是一种以氧化硅气溶胶为主要成分的低密度无机隔热材料，其室温下的导热率比静止空气还低，但是这种材料在温度1270K以上即发生烧结收缩而破坏。从美国文献所报道的数据可发现：氧化锆和MIN-K2000组成的复合隔热材料至少需要大约0.7英寸(18mm)厚才能满足发动机工作600秒钟的隔热要求，而如果单独用MIN-K2000作隔热层，则半英寸(12.7mm)厚的这种隔热材料只能使发动机工作维持300秒钟左右，之后即因隔热层受热破坏而使隔热层外壁温度急剧上升。但是如果隔热层的厚度达1英寸(25.4mm)，则虽然隔热材料在发动机燃烧室产生的高温作用下由里向外地不断破坏，但因有足够的厚度，可使发动机工作延长至1400秒钟左右，隔热材料外壁温度不超过700K。然而18mm的厚度已经超过了我国液体燃料冲压发动机热防护层的设计要求。而且出于军事保密原因，不能得到美国MIN-K2000的技术和材料。
发明内容
本发明的目的在于为液体冲压发动机和整体式固液组合冲压发动机的燃烧室提供一种耐高温、柔性、梯度隔热的材料和制造工艺，以满足冲压发动机燃烧室对隔热材料提出的耐高温、巨大的降温梯度(即要求极低的导热系数)、抗震动等多方面要求。
本发明提供的一种冲压发动机用柔性梯度隔热材料，用于液体燃料冲压发动机和整体式固液组合冲压发动机燃烧室，从里向外依次由高温层、中温层、低温层和保护层组成；其中：
所述高温层厚度为3～5mm，由一层厚度2～4.5mm的碳纤维毡，其两面涂敷0.1mm厚的氧化铝-磷酸铝料层构成，或者由两张0.3mm厚的碳纤维编织布中间利用流延工艺铺敷的氧化铝-磷酸铝料层或氧化锆-磷酸铝料层构成；所用的碳纤维毡或碳纤维编织布的含碳量大于90％，密度分别不大于0.22g/cm3和0.4g/cm3；其中涂敷在碳纤维毡上的氧化铝-磷酸铝料层由100份重量的氧化铝细粉同10～20份重量的磷酸铝溶液和10～20份重量的去离子水混合均匀制成；其中对氧化铝细粉要求是Al2O3总含量大于99％、其中α-Al2O3含量大于98％、平均颗粒直径小于5μm；其中夹在二层碳纤维编织布之间的氧化锆-磷酸铝料层或氧化铝-磷酸铝料层由按照以下配比的氧化锆或氧化铝同磷酸铝溶液以及去离子水均匀混合而成：由颗粒直径为小于0.2mm的氧化锆或氧化铝粗粉料50～70重量份，平均颗粒直径小于5μm的氧化锆或氧化铝细粉料30～50重量份组成100重量份氧化锆或氧化铝粉料，另加磷酸铝溶液为20～40重量份，去离子水为0～10重量份；所有氧化锆粉料的纯度要求ZrO2加稳定剂氧化物总量＞99％，所有氧化铝粉料要求Al2O3总含量大于99％、其中α-Al2O3含量大于98％。
所述中温层厚度为2～4mm，用一层或多层标称温度为1600℃的氧化铝纤维纸或标称温度为1300℃的硅酸铝纤维纸构成；所用氧化铝纤维纸或硅酸铝纤维纸的密度为0.20～0.30g/cm3，1300℃下的导热系数小于0.12w/m·K；
所述低温层厚度为4～6mm，用多层厚度为0.6～2mm的硅酸钙复合柔性纸构成，所述硅酸钙复合柔性纸在1000℃下的导热系数小于0.10w/m·K；
所述保护层由耐温大于200℃的无碱玻璃纤维布和有机硅胶组成的玻璃纤维胶布构成。
本发明提供的耐高温柔性梯度隔热材料，是将整个隔热材料层，沿厚度方向分成四层：高温层，用一定厚度的碳纤维织物或碳纤维织物夹持氧化铝或氧化锆组成的复合材料作为接触燃烧室热面的隔热材料，碳纤维、氧化锆和氧化铝的耐温性能都高达2300K以上，足够抵御发动机燃烧室外壳的温度(大约2100K)，但是碳纤维织物或碳纤维织物涂敷氧化锆或氧化铝的复合材料在高温下的导热系数较大，因此这层材料只能将温度降至1900-1850K；中温层，紧挨高温层是氧化铝纤维或硅酸铝纤维构成的柔性材料，这层材料顾及耐高温性(氧化铝纤维的极限工作温度为1900K)和适当低的导热系数，通过这层材料，将温度降至1400K左右；低温层，在氧化铝或硅酸铝纤维材料外面是多层硅酸钙复合柔性纸，这种材料耐温1470K，并具有相当低的导热系数，通过多层硅酸钙复合纸，可将温度降至800K以下；在低温层的外面包覆玻璃纤维胶布，作为整个隔热材料的保护外皮，可以防止运输、安装过程中对隔热层的损坏。
本发明另一目的，在于提供上述耐高温、柔性、梯度隔热材料的制造方法。
其中高温层可以由一层厚度2～4.5mm的碳纤维毡，其两面涂敷0.1mm厚的氧化铝-磷酸铝料层构成，或者由两张0.3mm厚的碳纤维编织布中间利用流延工艺铺敷的氧化铝-磷酸铝料层或氧化锆-磷酸铝料层构成。所用的碳纤维毡或碳纤维编织布的含碳量大于90％，密度分别不大于0.22g/cm3和0.4g/cm3。所用的氧化铝-磷酸铝料层由100份重量的氧化铝细粉同10～20份重量的磷酸铝溶液和10～20份重量的去离子水混合均匀制成。其中对氧化铝细粉要求是Al2O3总含量大于99％、其中α-Al2O3含量大于98％、平均颗粒直径小于5μm。所用的氧化锆-磷酸铝料层或氧化铝-磷酸铝料层由按照以下配比的氧化锆或氧化铝同磷酸铝溶液以及去离子水均匀混合而成。其中颗粒直径小于0.2mm的氧化锆或氧化铝粗粉料占50～70份(重量)，平均颗粒直径小于5μm的氧化锆或氧化铝细粉料占30～50份(重量)，氧化锆或氧化铝粉料为100重量份时，外加磷酸铝溶液为20～40份(重量)，去离子水为0～10份(重量)。所有氧化锆粉料的纯度要求ZrO2以及稳定剂氧化物总量＞99％，所有氧化铝粉料要求Al2O3总含量大于99％、其中α-Al2O3含量大于98％。
上述耐高温柔性梯度隔热材料中的中温层用一层或多层标称温度为1600℃的氧化铝纤维纸或标称温度为1300℃的硅酸铝纤维纸构成，其总厚度为2～4mm。所用氧化铝纤维纸或硅酸铝纤维纸的密度为0.20～0.30g/cm3，1300℃下的导热率应小于0.12w/m·K。
上述耐高温柔性梯度隔热材料中的低温层用多层厚度为0.6～2mm的硅酸钙复合柔性纸构成，总厚度为4～6mm。要求材料1000℃下的导热率小于0.10w/m·K。这种硅酸钙复合柔性纸可以按照正在申请的发明专利(申请号：200610089310.0)中所说明的技术制造。
具体的，该硅酸钙复合柔性纸，由硅酸铝纤维纸掺混微孔硅酸钙球形颗粒制造而成，其中硅酸铝纤维纸为纸基层，另由硅酸铝纤维、微孔硅酸钙球形颗粒和纤维分散剂的混合料浆形成复合层，所述混合料浆按硅酸铝纤维∶微孔硅酸钙球形颗粒∶浓度为1～5wt‰的聚丙烯酰胺水溶液按重量比1∶1～2∶300～600配制而成。
上述耐高温柔性梯度隔热材料中的保护层用耐温大于200℃无碱玻璃纤维布和有机硅胶组成的玻璃纤维胶布构成。
本发明规定了上述耐高温、柔性、梯度隔热材料的同冲压发动机燃烧室的组装工艺：先在冲压发动机燃烧室的外表面均匀涂刷一层上述氧化铝/磷酸铝浆料，再将所制备的高温层材料用手工或通过机械包覆在发动机的外表面；然后将所制备的中温层材料用手工或通过机械包覆在高温层的外表面；再将所制备的低温层材料用手工或通过机械包覆在中温层的外表面；最后将玻璃纤维胶布按螺旋前进的方式紧密缠绕在低温层的外表面，后一圈玻璃纤维胶布须压住前一圈玻璃纤维胶布宽度的1/3，使得整个缠绕成为一个整体。
采用以上设计，利用硅酸钙陶瓷纸(低温层)作为隔热材料的最外层，在其里层选用多种耐更高温度的柔性隔热材料，组成柔性梯度材料，使得隔热材料的耐温性能由外向里(靠近发动机)越来越高而导热率由里向外越来越低，由此满足发动机燃烧室隔热的要求。采用以上技术方案制成的耐高温柔性梯度隔热材料目前经过多次氢氧焰加热试验和发动机地面试验反复考验证明可行。
附图说明
图1为氧炔焰加热试验装置
图2为氧炔焰加热试验耐高温柔性梯度隔热材料试样的结构示意图
图3为包裹在发动机燃烧室外壁的耐高温柔性梯度隔热材料的结构示意图
图4为实例1台架试验时直径289mm发动机燃烧室的外表面升温记录
图5为实例2之氧炔焰加热试验升温记录
图6为实例3之氧炔焰加热试验升温记录
图7为实例4之氧炔焰加热试验升温记录
图8为实例5之氧炔焰加热试验升温记录
图9为实例6之氧炔焰加热试验升温记录
具体实施方式
用于冲压发动机燃烧室的隔热材料，由直接在燃烧室外表面用手工或通过机械依次包裹高温层、中温层、低温层和保护层制成。其中高温层的厚度为3～5mm，可以用一层厚度2～4.5mm的碳纤维毡，其两面涂敷大致0.1mm厚的氧化铝/磷酸铝浆料构成，或者用两张0.3mm厚的碳纤维编织布中间利用流延工艺铺敷的氧化铝/磷酸铝料层或氧化锆/磷酸铝料层构成。所用的碳纤维毡或碳纤维布的含碳量大于90％，密度分别不大于0.22g/cm3和0.4g/cm3。包裹高温层之前，先在发动机燃烧室的外表面涂刷氧化铝/磷酸铝浆料，以便使高温层同燃烧室外壁粘结。所用的氧化铝/磷酸铝浆料由100份重量的氧化铝细粉同10～20份重量的磷酸铝溶液和10～20份重量的去离子水混合均匀制成。其中对氧化铝细粉要求是Al2O3总含量大于99％、α-Al2O3含量大于98％、平均颗粒直径小于5μm。所用的氧化锆/磷酸铝料层或氧化铝/磷酸铝料层由按照以下配比的氧化锆或氧化铝同磷酸铝溶液以及去离子水均匀混合而成：其中由颗粒直径小于0.2mm的氧化锆或氧化铝粗粉料占50～70份(重量)，平均颗粒直径小于5μm的氧化锆或氧化铝细粉料占30～50份(重量)，形成100重量份的氧化锆或氧化铝粉料，外加磷酸铝溶液为20～40份(重量)，去离子水为0～10份(重量)。所有氧化锆粉料的纯度要求ZrO2及稳定剂氧化物总量＞99％(重量)，所有氧化铝粉料要求Al2O3总含量大于99％、其中α-Al2O3含量大于98％。所用的磷酸铝溶液按照以下工艺制成：将工业氢氧化铝粉(Al(OH)3含量＞98％)溶于密度为1.69～1.73g/cm3的工业磷酸中，再加入所用氢氧化铝重量1.3倍的去离子水，混合均匀。磷酸铝溶液中Al元素的重量百分数为3.50～3.56％，并且保持Al2O3∶P2O5＝1∶(4.5～5.2)。
高温层包裹完毕，在其外表面涂刷氧化铝/磷酸铝浆料，然后用手工或通过机械包裹中温层。中温层厚度2～4mm，由一层或多层标称温度为1600℃的氧化铝纤维纸(毯)或标称温度为1300℃的硅酸铝纤维纸(毯)构成。所选用的氧化铝纤维纸(毯)或硅酸铝纤维纸(毯)的密度为0.20～0.30g/cm3，1300℃下的导热系数应小于0.12w/m·K。如果采用多层纤维纸(毡)包裹，层与层之间可涂刷有机胶水(如108胶)，以便将各层粘结在一起。
在中温层之外，用手工或通过机械包裹低温层。低温层的总厚度为4～6mm，用多层厚度为0.6～2mm的硅酸钙复合纸构成，各层之间涂刷有机胶水(如108胶)，将各层粘结在一起。要求所用的硅酸钙复合纸1000℃下的导热率小于0.10w/m·K。这种硅酸钙复合纸可以按照已公开发明专利申请(申请号：200610089310.0)中所说明的技术制造，先将硅酸铝纤维与微孔硅酸钙颗粒在纤维分散剂的水溶液中分散，得到组分均匀的料浆；然后将所述硅酸铝纤维纸平铺在真空抽滤设备的抽滤网上，将上述料浆铺洒在硅酸铝纸上，经真空抽滤和干燥，得到微孔硅酸钙/硅酸铝纤维复合纸。具体制备过程参见该专利申请说明书的详细描述。
最后将厚度为0.25±0.05mm、耐温大于200℃的无碱玻璃纤维布/有机硅胶组成的玻璃纤维胶布按螺旋前进的方式紧密缠绕在低温层的外表面，后一圈玻璃纤维胶布须压住前一圈玻璃纤维胶布宽度的1/3，缠绕成为一个整体的保护层。
为了检验以上形成的隔热材料的隔热性能，进行了两类试验：1)将待试隔热材料包裹、安装在冲压发动机燃烧室上，将发动机安装在试验台上，进行发动机台架动力试验，其工况符合实际使用情况，但实验一次的费用十分可观；2)氧炔焰加热试验。由于用发动机试验台对发动机燃烧室的隔热材料进行试验的费用十分巨大，更经常用的是将待试材料制成平板状试样，用氧炔焰加热试样，采用如图1所示装置进行试验。氧炔焰燃烧温度可高达3000℃(即3273K)，火焰直接加热放在待测试样上面的石墨片上，该石墨片厚度为7mm，用来模拟发动机燃烧室的碳/碳复合材料壁的传热。为了尽量减小热量通过石墨片横向流失，在石墨片的上下面上割开出一个圈槽(见图2)，对着火焰的圈槽直径较大，为34mm。根据加热时间、一次试验所消耗的乙炔重量，可计算出氧炔焰给出的总热功率为15.5Mw左右。只有其中的一部分通过石墨片中央φ34mm区域垂直向下穿过待测试样，预计这部分功率只有总功率的1/10，即1.55Mw通过石墨片中央φ34mm区域，并且始终垂直向下在待测试样内流过。因此，垂直向下在待测试样内流过的热流量为1.7Mw/m2。
氧炔焰加热试验如图1所示：用氧炔焰加热石墨片中央，使石墨片中央某部分很快达到1800～1850℃(即大约2100K)，用光学高温计测量石墨表面温度。用热电偶测定试样背对石墨的另一面，即冷面的温度。热电偶的位置与石墨被加热的高温点垂直对应，在测温的同时记录时间(用点火开始加热的时间作为时间的起点)。
以下通过具体试验检验本发明隔热材料的隔热性能，其中所用的硅酸钙复合纸均按照正在申请的发明专利(申请号：2006 1008 9310.0)中所说明的技术制造。
实例1
在一个直径289mm，由碳/碳复合材料制成的冲压发动机燃烧室外表面上包裹耐高温柔性梯度隔热材料，如图3所示。其高温层由二个表面均涂氧化铝/磷酸铝浆料的碳纤维毡构成，总厚度4mm。所用的氧化铝/磷酸铝浆料由1kg氧化铝细粉同200g磷酸铝溶液和100g去离子水混合均匀制成。所用的氧化铝细粉中Al2O3总含量为99％，其中α-Al2O3含量为98％、平均颗粒直径4.5μm。磷酸铝溶液的配制：称取1.70g/cm3的工业磷酸300g，将其加热到60～70℃，将40.5g工业氢氧化铝粉(Al(OH)3含量＞98％)溶入其中，再加入52.6g去离子水，混合均匀。
在高温层的外面包裹一层标称温度为1300℃，密度为2.2g/cm3，厚度为2mm的硅酸铝纤维纸，作为中温层。
在中温层的外表面涂刷108胶，然后包裹一层0.6mm厚的硅酸钙复合纸。重复以上操作，一共包裹四层0.6mm厚的硅酸钙复合纸，作为低温层。所用的硅酸钙复合纸按照正在申请的发明专利(申请号：2006 1008 9310.0)中所说明的技术制造，其1000℃下的导热系数为0.098w/m·K。
用厚度为0.25±0.05mm的DJ-22玻璃纤维胶布(上海橡胶制品研究所制造，由耐温大于200℃的无碱玻璃纤维布和有机硅胶组成)按螺旋前进的方式紧密缠绕在低温层的外表面，后一圈玻璃纤维胶布须压住前一圈玻璃纤维胶布宽度的1/3，缠绕成为一个整体的保护层。
包裹了耐高温柔性梯度隔热材料的发动机燃烧室在发动机试验台上进行了动力试验，火焰温度2300K，用多支热电偶测定了发动机外表面温度，结果如图4所示。从图4上可见在发动机工作的600多秒钟内发动机外表面温度不超过500℃(773K)。
实例2
如图2所示，制备耐高温柔性梯度隔热材料试样，其高温层由一层3.5mm的正方形(130×130mm)碳纤维毡组成，其上下表面均匀涂刷约0.1mm厚的化铝/磷酸铝浆料。氧化铝/磷酸铝浆料根据实例1所述方法制备。在高温层的外表面放置两层标称温度为1300℃，密度为2.2g/cm3，厚度为2mm的硅酸铝纤维纸，层与层之间用108胶粘结，此为中温层。在中温层的外表面涂刷108胶，然后放置一层1.2mm厚的硅酸钙复合纸。重复以上操作，一共放置四层1.2mm厚的硅酸钙复合纸，作为低温层。用厚度为0.25±0.05mm的DJ-22玻璃纤维胶布包裹试样的五个表面，仅保留涂刷氧化铝/磷酸铝的碳毡表面不被玻璃纤维胶布覆盖。将所制备试样在室温下放置12-24小时，然后将其水平夹在两块平板玻璃之间，放入温度为60-90℃的干燥箱内干燥至恒重(大约36小时)。干燥后试样尺寸为130×130×12.4mm，密度为0.40g/cm3。图5为该试样进行氧炔焰加热试验的升温记录，从图5可见，热面温度达到1773℃(2050K)或更高，其冷面温度维持在500℃(773K)以下的时间可长达10.1分钟。
实例3
称取颗粒直径小于0.2mm的氧化锆粗粉料200克、平均颗粒直径小于5μm的氧化锆细粉料200克、磷酸铝溶液120克、去离子水40克，混合均匀形成湿料层。其中所用的氧化锆为用3％molY2O3稳定的氧化锆，其纯度要求为ZrO2+Y2O3＞99％。所用的磷酸铝溶液的制备如实例1所述。
在一块300×300mm、厚度为0.3mm的碳纤维布上用流延法涂布氧化锆/磷酸铝料层，使料层的厚度为3.5mm，料层铺设完毕立即在其上覆盖另一张300×300mm、厚度为0.3mm的碳纤维布，将其移至平板玻璃上，在室温下放置一段时间，待料层初步凝固：失去流动性，但仍旧柔软有塑性，用闸刀或大剪刀从所制备的碳纤维布夹层上切割出130×130mm作为高温层。在其向上的一面涂刷一层约0.1mm的氧化铝/磷酸铝浆料，其制备方法同实例1。在其上放置两层标称温度为1300℃，密度为2.2g/cm3，厚度为2mm的硅酸铝纤维纸，尺寸同为130×130mm。层与层之间用108胶粘结。此为中温层。在中温层的上表面涂刷108胶，然后放置一层130×130mm、2.0mm厚的硅酸钙复合纸。重复以上操作，一共放置三层2.0mm厚的硅酸钙复合纸，作为低温层。用厚度为0.25±0.05mm的DJ-22玻璃纤维胶布包裹试样的五个表面，仅保留碳纤维布表面不被玻璃纤维胶布覆盖。
将所制备试样在室温下放置12-24小时，然后将其水平夹在两块平板玻璃之间，放入温度为60-90℃的干燥箱内干燥至恒重(大约36小时)。干燥后试样尺寸为130×130×13.5mm，密度为0.43g/cm3。
图6为该试样进行氧炔焰加热试验的升温记录，从图6可见，当热面温度达到1800℃(2073K)后，其冷面温度始终维持在500℃(773K)以下长达13分钟。
实例4
称取颗粒直径小于0.2mm的氧化铝粗粉料260克、平均颗粒直径小于5μm的氧化铝细粉料140克、磷酸铝溶液120克、去离子水30克。所用的氧化铝纯度为Al2O3＞99％，其中α-Al2O3＞98％。所用的磷酸铝溶液的制备如实例1所述。
在一块300×300mm、厚度为0.3mm的碳纤维布上用流延法涂布氧化铝/磷酸铝料层，使料层的厚度为3.5mm，料层铺设完毕立即在其上覆盖另一张300×300mm、厚度为0.3mm的碳纤维布，将其移至平板玻璃上，在室温下放置一段时间，待料层初步凝固：失去流动性，但仍旧柔软有塑性，用闸刀或大剪刀从所制备的碳纤维布夹层上切割出130×130mm作为高温层。在其向上的一面涂刷一层根据实例1所述方法制备的氧化铝/磷酸铝浆料约0.1mm。在其上放置两层标称温度为1300℃，密度为2.2g/cm3，厚度为2mm的硅酸铝纤维纸，尺寸同为130×130mm。层与层之间用108胶粘结。此为中温层。在中温层的上表面涂刷108胶，然后放置1层130×130mm、1.5mm厚的硅酸钙复合纸。重复以上操作，一共放置四层1.5mm厚的硅酸钙复合纸，作为低温层。用厚度为0.25±0.05mm的DJ-22玻璃纤维胶布包裹试样的五个表面，仅保留碳纤维布表面不被玻璃纤维胶布覆盖。
将所制备试样在室温下放置12-24小时，然后将其水平夹在两块平板玻璃之间，放入温度为60-90℃的干燥箱内干燥至恒重(大约36小时)。干燥后试样尺寸为130×130×13.5mm，密度为0.41g/cm3。
图7为该试样进行氧炔焰加热试验的升温纪录，从图7可见，当热面温度达到1800℃(2073K)后，其冷面温度始终维持在500℃(773K)以下长达15分钟，此后因试样顶上的石墨片氧化烧穿，氧炔焰直接加热试样，致使其冷面温度急剧上升。
实例5
按照例2所述的方式制备耐高温柔性梯度隔热材料试样，但是其高温层由一层4.8mm的正方形(130×130mm)碳纤维毡组成，其上下表面均匀涂刷约0.1mm厚的化铝/磷酸铝浆料。中温层由两层标称温度为1300℃，密度为2.2g/cm3，厚度为2mm的硅酸铝纤维纸组成，层与层之间用108胶粘结。其低温层由二层1.6mm厚的硅酸钙复合纸组成，层与层之间用108胶粘结。用厚度为0.25±0.05mm的DJ-22玻璃纤维胶布包裹试样的五个表面。干燥至恒重(大约36小时)后试样尺寸为130×130×13.2mm，密度为0.37g/cm3。图8为该试样进行氧炔焰加热试验的升温记录，从图8可见，热面温度达到1800℃(2073K)或更高，其冷面温度维持在500℃(773K)以下的时间可长达14分钟。
实例6
按照例2所述的方式制备耐高温柔性梯度隔热材料试样，但是其高温层由一层2.8mm的正方形(130×130mm)碳纤维毡组成，其上下表面均匀涂刷约0.1mm厚的化铝/磷酸铝浆料。中温层由两层标称温度为1600℃，密度为2.5g/cm3，厚度为2.5mm的氧化铝纤维纸组成，层与层之间用108胶粘结。其低温层由七层0.8mm厚的硅酸钙复合纸组成，层与层之间用108胶粘结。用厚度为0.25±0.05mm的DJ-22玻璃纤维胶布包裹试样的五个表面。干燥至恒重(大约36小时)后试样尺寸为130×130×13.4mm，密度为0.41g/cm3。图9为该试样进行氧炔焰加热试验的升温记录，从图9可见，热面温度达到1800℃(2073K)或更高，其冷面温度维持在500℃(773K)以下的时间可达10分钟。
Claims (4)
1.一种冲压发动机用柔性梯度隔热材料，用于液体燃料冲压发动机和整体式固液组合冲压发动机燃烧室，从里向外依次由高温层、中温层、低温层和保护层组成；其中：
所述高温层厚度为3～5mm，由一层厚度2～4.5mm的碳纤维毡，其两面涂敷0.1mm厚的氧化铝-磷酸铝料层构成，或者由两张0.3mm厚的碳纤维编织布中间利用流延工艺铺敷的氧化铝-磷酸铝料层或氧化锆-磷酸铝料层构成；所用的碳纤维毡或碳纤维编织布的含碳量大于90％，密度分别不大于0.22g/cm3和0.4g/cm3；
其中涂敷在碳纤维毡上的氧化铝-磷酸铝料层由100份重量的氧化铝细粉同10～20份重量的磷酸铝溶液和10～20份重量的去离子水混合均匀制成；其中对氧化铝细粉要求是Al2O3总含量大于99％、其中α-Al2O3含量大于98％、平均颗粒直径小于5μm；
其中夹在二层碳纤维编织布之间的氧化锆-磷酸铝料层或氧化铝-磷酸铝料层由按照以下配比的氧化锆或氧化铝同磷酸铝溶液以及去离子水均匀混合而成：由颗粒直径为小于0.2mm的氧化锆或氧化铝粗粉料50～70重量份，平均颗粒直径小于5μm的氧化锆或氧化铝细粉料30～50重量份组成100重量份氧化锆或氧化铝粉料，另加磷酸铝溶液为20～40重量份，去离子水为0～10重量份；所有氧化锆粉料的纯度要求ZrO2加稳定剂氧化物总量＞99％，所有氧化铝粉料要求Al2O3总含量大于99％、其中α-Al2O3含量大于98％；
所述中温层厚度为2～4mm，用一层或多层标称温度为1600℃的氧化铝纤维纸或标称温度为1300℃的硅酸铝纤维纸构成；所用氧化铝纤维纸或硅酸铝纤维纸的密度为0.20～0.30g/cm3，1300℃下的导热系数小于0.12w/m·K；
所述低温层厚度为4～6mm，用多层厚度为0.6～2mm的硅酸钙复合柔性纸构成，所述硅酸钙复合柔性纸在1000℃下的导热系数小于0.10w/m·K；
所述保护层由有机硅胶和耐温大于200℃的无碱玻璃纤维布组成的玻璃纤维胶布构成。
2.根据权利要求1所述冲压发动机用柔性梯度隔热材料，其特征在于，其中所用的磷酸铝溶液按照以下工艺制成：将工业氢氧化铝粉溶于密度为1.69～1.73g/cm3的工业磷酸中，再加入所用氢氧化铝重量1.3倍的去离子水，混合均匀；其中磷酸铝溶液中Al元素的重量百分数为3.50～3.56％，并且保持Al2O3∶P2O5＝1∶(4.5～5.2)；其中氢氧化铝粉中Al(OH)3含量＞98％。
3.根据权利要求1所述冲压发动机用柔性梯度隔热材料，其特征在于，其中硅酸钙复合柔性纸，由硅酸铝纤维纸掺混微孔硅酸钙球形颗粒制造而成，其中硅酸铝纤维纸为纸基层，另由硅酸铝纤维、微孔硅酸钙球形颗粒和纤维分散剂的混合料浆形成复合层，所述混合料浆按硅酸铝纤维∶微孔硅酸钙球形颗粒∶浓度为1～5wt‰的聚丙烯酰胺水溶液按重量比1∶1～2∶300～600配制而成。
4.使用柔性梯度隔热材料对冲压发动机进行隔热处理的方法，其特征在于，先在冲压发动机燃烧室的外表面均匀涂刷一层按照权利要求1提供的氧化铝-磷酸铝料层，再将权利要求1所述高温层材料用手工或通过机械包覆在发动机的外表面；然后将权利要求1所述的中温层材料用手工或通过机械包覆在高温层的外表面；再将权利要求1所述的低温层材料用手工或通过机械包覆在中温层的外表面；最后将根据权利要求1所述的玻璃纤维胶布按螺旋前进的方式紧密缠绕在低温层的外表面，后一圈玻璃纤维胶布须压住前一圈玻璃纤维胶布宽度的1/3，使得整个缠绕成为一个整体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200710083955.8A CN110637512B (zh) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | 冲压发动机用柔性梯度隔热材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200710083955.8A CN110637512B (zh) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | 冲压发动机用柔性梯度隔热材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110637512B true CN110637512B (zh) | 2011-08-10 |
Family
ID=68944428
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN200710083955.8A Active CN110637512B (zh) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | 冲压发动机用柔性梯度隔热材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110637512B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109760375A (zh) * | 2017-05-24 | 2019-05-17 | 中国建筑材料科学研究总院有限公司 | 一种可机加工隔热层及其制备方法 |
| CN111889684A (zh) * | 2020-07-17 | 2020-11-06 | 洛阳科威钨钼有限公司 | 一种煤粉直接点火燃烧器的制备方法 |
| CN116289297A (zh) * | 2022-12-29 | 2023-06-23 | 中国建筑材料科学研究总院有限公司 | 隔热材料缝隙用填缝材料及其制备方法和应用 |
-
2007
- 2007-12-27 CN CN200710083955.8A patent/CN110637512B/zh active Active
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109760375A (zh) * | 2017-05-24 | 2019-05-17 | 中国建筑材料科学研究总院有限公司 | 一种可机加工隔热层及其制备方法 |
| CN109808245A (zh) * | 2017-05-24 | 2019-05-28 | 中国建筑材料科学研究总院有限公司 | 圆筒状工件内表面用隔热层及其制备方法 |
| CN109760375B (zh) * | 2017-05-24 | 2020-08-11 | 中国建筑材料科学研究总院有限公司 | 一种可机加工隔热层及其制备方法 |
| CN111889684A (zh) * | 2020-07-17 | 2020-11-06 | 洛阳科威钨钼有限公司 | 一种煤粉直接点火燃烧器的制备方法 |
| CN111889684B (zh) * | 2020-07-17 | 2022-04-08 | 洛阳科威钨钼有限公司 | 一种煤粉直接点火燃烧器的制备方法 |
| CN116289297A (zh) * | 2022-12-29 | 2023-06-23 | 中国建筑材料科学研究总院有限公司 | 隔热材料缝隙用填缝材料及其制备方法和应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100406248C (zh) | 供防火屏障用的层压片料 | |
| US20100209679A1 (en) | Flexible laminate sheet materials | |
| US5073689A (en) | Zirconia refractory heating element | |
| CN110637512B (zh) | 冲压发动机用柔性梯度隔热材料 | |
| JP2684518B2 (ja) | 断熱特性を有する微細多孔質体の製造方法 | |
| KR101539950B1 (ko) | 실리카 에어로겔과 유리섬유가 적층된 단열매트의 제조방법 및 이로부터 제조된 단열매트 | |
| CN109455316A (zh) | 一种柔性热防护结构 | |
| US4194673A (en) | Stress relieving of metal/ceramic abradable seals | |
| CN111186181A (zh) | 一种多层热防护材料及其制备方法 | |
| Herrera et al. | Processing and Characterization of Yttria‐Stabilized Zirconia Foams for High‐Temperature Applications | |
| WO2024119863A1 (zh) | 一种隔热阻燃的纳米复合片材及其制备方法 | |
| US3551266A (en) | Ceramic insulation for radiant heating environments and method of preparing the same | |
| CN104569106B (zh) | 一种片式传感器及其制备方法 | |
| JP4716307B2 (ja) | 空調ダクト形成用乃至建材用不燃性段ボール及び段ボールダクト | |
| KR19980086983A (ko) | 내열재 | |
| CN111411528A (zh) | 一种耐高温隔热服装专用材料及制备方法 | |
| JPS62170185A (ja) | セラミツクヒ−タ | |
| CN114213100B (zh) | 一种防火浆料、防火板、应用及其制备方法 | |
| Hayashi | Thermal conductivity of ceramic fibrous insulators at high temperatures | |
| CN219240908U (zh) | 一种建筑用隔热保温层状物 | |
| Van Dreser et al. | High‐Temperature Firing of Basic Refractories | |
| CN211307683U (zh) | 一种多层热防护材料 | |
| Stackpoole et al. | Flexible ablators | |
| CN216432491U (zh) | 一种感应炉加热装置中耐高温的隔热装置 | |
| RU2311742C2 (ru) | Нагревательный элемент и способ его изготовления |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR03 | Grant of secret patent right | ||
| DC01 | Secret patent status has been lifted | ||
| DC01 | Secret patent status has been lifted |