CN111454071B - 岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料及其制备方法 - Google Patents

岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111454071B
CN111454071B CN202010276755.XA CN202010276755A CN111454071B CN 111454071 B CN111454071 B CN 111454071B CN 202010276755 A CN202010276755 A CN 202010276755A CN 111454071 B CN111454071 B CN 111454071B
Authority
CN
China
Prior art keywords
rock wool
wool fiber
composite material
silica
fiber reinforced
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
Application number
CN202010276755.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN111454071A (zh
Inventor
姜勇刚
瑚佩
冯坚
冯军宗
李良军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National University of Defense Technology
Original Assignee
National University of Defense Technology
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University of Defense Technology filed Critical National University of Defense Technology
Priority to CN202010276755.XA priority Critical patent/CN111454071B/zh
Publication of CN111454071A publication Critical patent/CN111454071A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111454071B publication Critical patent/CN111454071B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/14—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silica
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/624—Sol-gel processing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/5216—Inorganic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6562—Heating rate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567—Treatment time
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/77—Density
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9607—Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9607—Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient
    • C04B2235/9615—Linear firing shrinkage

Abstract

本发明公开了一种岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料及其制备方法，目的是使复合材料强度高、热导率低。本发明材料由氧化硅基体和岩棉纤维预制件组成，氧化硅基体填充于岩棉纤维的孔隙中并使岩棉纤维粘接成整体；岩棉纤维预制件由岩棉纤维铺排而成，氧化硅基体由氧化硅小颗粒堆积形成，氧化硅小颗粒由水性硅溶胶经凝胶老化、常压干燥、重复浸渍、高温烧结得到；制备方法是将水性硅溶胶在真空下与岩棉纤维预制件浸渍形成纤维预制件/溶胶混合体，并加热一段时间后得到湿凝胶复合材料，然后常压干燥，再重复浸渍2‑6次，最后高温烧结制得复合材料。本发明材料力学性能较高，热导率低，密度低，制备方法成本低、安全性高，制备工艺简单灵活。

Description

岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度的隔热复合材料及其制备方法，尤其涉及一种以氧化硅(SiO2)为基体，岩棉纤维为增强体的岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基高强度隔热复合材料及其制备方法。
背景技术
新型高速飞行器在大气层中长时间飞行时，具有飞行马赫数高、高机动性和飞行时间长等特点，飞行器表面承受着严重的气动加热，机体表面温度很高。为了确保电子电气设备正常工作，阻隔热量进入机体内部，必须在飞行器上敷设大面积热防护系统(ThermalProtection System,TPS)，TPS对于新型飞行器的研制、应用具有举足轻重的地位。
飞行器大面积热防护系统(TPS)中防热陶瓷盖板和内部支架结构之间需要连接螺栓进行连接，而这些连接螺栓热导率较高，外部热量会通过连接螺栓传导至飞行器内部，产生热桥效应。热桥严重影响TPS系统的隔热效果，可能影响到内部电子元器件的正常工作，对飞行器的飞行安全构成威胁。高强度隔热材料(垫片)主要发挥热桥阻断功能，起到延缓热量向飞行器内部传递的作用，需要有较低的热导率；此外，为了方便安装和固定，一般需要有较高的强度。因此，新型航天飞行器热防护系统迫切需要一种可以发挥热桥阻断功能的耐高温高强度隔热复合材料。
随着能源的日益紧张，各国倡导节能减排，高效隔热材料应用于高温工业领域中，可以大幅度地提高热能使用率。工业高温窑炉用的隔热材料一般具有隔热、承重的功能，如耐火砖，这是一种用耐火黏土或其他耐火原料烧制成的具有一定形状和尺寸的耐火材料，可用作建筑窑炉和各种热工设备的高温建筑材料和结构材料，并在高温下能经受各种物理化学变化和机械作用。由于传统的耐火砖气孔尺寸较大，孔径多处于毫米级，导致材料热导率较高，隔热保温效果不佳【佛山陵朝新材料有限公司.一种高强度隔热耐火砖的制备方法:中国,CN201810626565.9[P].2018-11-06.】。因此高温工业领域也对耐高温高强度隔热复合材料有迫切的需求。
多孔隔热材料具有较低的热导率，常被用于隔热领域，但多孔材料的高孔隙率导致其强度不高。为了进一步提高多孔陶瓷材料强度，研究人员将多孔陶瓷作为基体，在基体中引入增强纤维，不仅可以提高材料的力学性能，同时纤维的引入还可以起到阻挡红外辐射的作用，有利于降低复合材料的高温热导率；如艾建平等【艾建平,周国红,王正娟,等.先驱体转化法制备氧化锆毡/氧化锆多孔复合材料的力学与热学性能研究[J].中国材料进展,2015,34(12):916-920.】以氧化锆纤维毡为增强纤维，采用真空压力浸渍工艺制备氧化锆纤维毡增强氧化锆陶瓷基复合材料，材料密度为3.2g/cm3，最大压缩强度40.0MPa；在100～1200℃范围内，材料热导率在0.69～0.85W/m·K之间；专利CN104446580A【王思青,张长瑞,曹峰,等.一种连续纤维布增强二氧化硅陶瓷基复合材料的制备方法：CN104446580A[P].2015】公布了一种连续纤维布(石英纤维、BN纤维、Al2O3纤维)增强二氧化硅陶瓷基复合材料，密度可达1.64g/cm3，虽然具有很高的压缩强度(常温下高达97.8MPa)，但其常温热导率高达0.41W/m·K；可以看出纤维增强陶瓷基复合材料力学性能较好，但由于材料密度较高，孔隙率较低，材料热导率较高。
还有研究人员以陶瓷纤维作为基体，用粘接剂将纤维粘接制备出孔隙率较高的纤维多孔陶瓷材料，如Zhang等【Zhang R,Ye C,Hou X,et al.Microstructure andproperties of lightweight fibrous porous mullite ceramics prepared by vacuumsqueeze moulding technique[J].Ceramics International,2016,42(13):14843-14848.即真空模压法制备莫来石纤维多孔陶瓷的微观形貌与结构性能研究】以莫来石纤维为基体，将SiC与B4C混合作为无机粘接剂，通过真空模压的方法制备出了莫来石纤维多孔陶瓷隔热材料，密度为0.40g/cm3，常温热导率为0.092W/m·K，最大压缩强度为2.1MPa；Dong等【Dong X,Sui G,Yun Z,et al.Effect of temperature on themechanical behavior ofmullite fibrous ceramics with a 3D skeleton structure prepared by moldingmethod[J].Materials&Design,2016,90:942-948.即烧结温度对模压法制备的3D骨架莫来石纤维多孔陶瓷材料性能的影响】用莫来石纤维作为纤维基体，以硅树脂为粘接剂，用模压成型的方法制备莫来石纤维多孔陶瓷隔热材料，材料的密度为0.441g/cm3，常温热导率为0.089W/m·K，未提及高温热导率，但最大压缩强度只有1.58MPa；这类材料孔隙率较高，虽然热导率明显低于纤维增强陶瓷基复合材料，但强度较低。
综上所述，现有的隔热材料均不能满足新型高速飞行器、高温工业领域对高强度隔热材料提出的低热导率、良好力学性能的综合性能要求。如何提供一种高强度、低热导率、制备工艺简便的隔热复合材料及其制备方法仍然是本领域技术人员极为关注的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种新型的岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料及其制备方法，使制备出来的复合材料具有强度高、热导率低且制造工艺简单的特点。
为了克服现有技术存在的上述问题，尤其是一般低热导率的隔热材料强度较低，制备工艺复杂的问题，本发明将岩棉纤维与氧化硅溶胶进行真空浸渍，经过凝胶老化、常压干燥、重复浸渍、高温烧结等一系列简单工艺获得岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料。其中采用纤维直径较细(约1μm)的岩棉纤维为增强体，能有效起到对复合材料的增强作用；用溶胶颗粒粒径较小(15nm)的水性硅溶胶作为硅源，最后得到由小颗粒堆积形成的高强度氧化硅基体。
所述岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基高强度隔热复合材料由氧化硅基体和岩棉纤维预制件组成，氧化硅基体填充于岩棉纤维的孔隙中并使岩棉纤维粘接成整体，形成岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基高强度隔热块状复合材料；其中岩棉纤维预制件是由岩棉纤维铺排而成，表观密度范围在0.18～0.30g/cm3之间，岩棉纤维直径约1μm；氧化硅基体由氧化硅小颗粒堆积形成，氧化硅小颗粒由水性硅溶胶经过凝胶老化、常压干燥、重复浸渍、高温烧结等一系列工艺得到水性硅溶胶要求固含量20％，溶胶颗粒粒径为15nm。。氧化硅基体占整体复合材料的质量分数为21～37％，岩棉纤维预制件占整体复合材料的质量分数为63～79％。
本发明材料的制备方案是通过将水性硅溶胶在真空下与岩棉纤维预制件浸渍形成纤维预制件/溶胶混合体，并在40～60℃下加热一段时间(12～48h(小时))后得到湿凝胶复合材料，然后在90～110℃常压干燥，再进行重复浸渍(2-6次)，最后在300～600℃下烧结制得岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料。通过对制备工艺参数进行调节，制备出的岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基高强度隔热复合材料密度为0.70～1.24g/cm3，压缩破坏强度为54.2～122.9MPa，常温热导率为0.09052～0.1854W/m·K，800℃时的高温热导率仅为0.135-0.224W/m·K。
本发明制备方法包括以下步骤：
第一步，制备岩棉纤维预制件，方法是：
岩棉纤维预制件的表观密度对复合材料的力学性能和热导率都有影响，根据不同的使用要求，设计的岩棉纤维预制件表观密度范围为0.18～0.30g/cm3，采用质量＝密度×体积计算所需岩棉纤维质量，按计算所需质量称取岩棉纤维，用模具将称取的岩棉纤维夹持固定，并且使岩棉纤维排布方向垂直于隔热使用时的热流方向，获得岩棉纤维预制件；
第二步，准备水性氧化硅混合溶胶，方法是：
向水性硅溶胶(固含量20％)中加入硝酸铵与氨水(0.5mol/L)，水性硅溶胶：硝酸铵：氨水摩尔比为1:(1.58～1.98)×10-3:(9.72～9.92)×10-2(使水性硅溶胶可以在8～12h内凝胶)，室温(20～35℃)下搅拌一段时间(10～30min(分钟))后得到水性氧化硅混合溶胶。
第三步，真空浸渍，方法是：
将岩棉纤维预制件放置在密封的容器中，采用抽真空方式(-0.096～-0.1MPa)进行溶胶浸渍：首先将第二步所得的水性氧化硅混合溶胶渗入岩棉纤维预制件中，硅溶胶的液面需超过纤维预制件最高点2厘米，确保硅溶胶完全覆盖预制件，待水性氧化硅混合溶胶渗入岩棉纤维预制件后，保压1～2h后打开真空浸渍罐阀门使得容器内的压力变为常压，得到含有水性氧化硅混合溶胶的岩棉纤维预制件，即纤维/溶胶混合体(连同容器)，然后将容器密封。
第四步，凝胶老化，方法是：
将装有纤维/溶胶混合体的密封容器放入40～60℃的鼓风干燥箱中，静置12～48h后，纤维/溶胶混合体中的溶胶变成凝胶，然后将密封容器打开，取出纤维/凝胶混合体，得到岩棉纤维增强氧化硅湿凝胶复合材料。
第五步，常压干燥，方法是：
将岩棉纤维增强氧化硅湿凝胶复合材料放入鼓风干燥箱内(90～110℃)进行常压干燥处理，经过一段时间(36～72h)，待岩棉纤维增强氧化硅湿凝胶复合材料质量不再变化后获得干燥的岩棉纤维增强氧化硅复合材料。
第六步，重复浸渍，方法是：
将第五步所得的干燥岩棉纤维增强氧化硅基复合材料继续与第二步制备的氧化硅混合溶胶进行真空浸渍、凝胶老化与常压干燥，完全按照第三步所述真空浸渍方法进行真空浸渍，按第四步所述凝胶老化方法进行凝胶老化，按第五步所述常压干燥方法进行常压干燥，如此将第二步、第三步、第四步与第五步重复进行2～6次，得到重复浸渍的岩棉纤维增强氧化硅复合材料。随着重复浸渍次数增多，材料密度增大，强度会有明显的提高，但热导率也会增大。因此可以根据使用需求灵活调整重复浸渍次数得到所需的岩棉纤维增强氧化硅基复合材料。
第七步，高温烧结，方法是：
为了建立凝胶颗粒之间的连接状态，将重复浸渍的岩棉纤维增强氧化硅复合材料放到马弗炉中烧结，烧结制度为：室温升至300～600℃，升温速度为1～10℃/min，保温0.5～2h，随炉降温。即可得到岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基高强度隔热复合材料。
采用本发明可以达到如下效果：
本发明基于溶胶-凝胶技术，将水性硅溶胶与岩棉纤维预制件混合，经过常压干燥和重复浸渍处理得到岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料。
因此，本发明与现有技术相比较有以下优势：
(1)本发明制备的岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基隔热复合材料力学性能较高。本发明通过第六步重复浸渍工艺，提高了复合材料的密度，使材料更加致密；通过第七步高温烧结工艺，增加了氧化硅基体之间的结合强度，这些都会使复合材料的力学性能得到大幅度的提高。其压缩强度可以提高到62.8MPa(实施例1)以上。
(2)本发明通过溶胶-凝胶法制得的高强度氧化硅基隔热复合材料热导率低。高强度隔热材料的热导率一般很高，如热导率相对较低的石英陶瓷，常温热导率0.4～0.8W/m·K左右，而本发明材料常温热导率控制在0.1033W/m·K左右，在800℃时的高温热导率仅为0.145W/m·K左右(实施例1)，拥有高强度的同时兼具较好的隔热性能。
(3)采用本发明制备复合材料成本低、安全性高。本发明使用的水性硅溶胶价格低廉，凝胶前加入少量硝酸铵与氨水即可，成本较低；干燥过程在鼓风干燥箱中即可完成，制备过程更加安全(常压，100℃)。
(4)本发明制备的复合材料密度低。本发明的复合材料内部为立体网状结构，纤维网络中间由氧化硅颗粒堆积增加强度，使得本发明制备出来的复合材料与目前强度较高的陶瓷材料相比，在强度基本一致的情况下，陶瓷的密度基本在1.64～3.20g/cm3之间，而本发明中的复合材料密度0.70～1.24g/cm3之间，材料密度相对较低。
(5)本发明高强度氧化硅基隔热复合材料制备工艺简单。在复合材料制备的过程中，只需要常用的马弗炉和鼓风干燥箱等设备，制备过程中不需要复杂的设备与气氛保护，环境友好，有利于规模化生产。
(6)本发明制备工艺灵活。岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基隔热复合材料密度、强度、热导率范围较为广泛，可以根据应用需求灵活调整工艺参数制备出不同强度、热导率的复合材料。
附图说明
图1为本发明总体流程图；
图2为实施例1的岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基复合材料经不同温度热处理后表观形貌；图2(a)为室温(25℃)状态下材料表观形貌；图2(b)是材料分别在600℃，800℃，1000℃下热处理1000s之后材料表观形貌；
图3为实施例1的岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基高强度隔热复合材料微观形貌；图3(a)是岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基复合材料放大3000倍的微观形貌；图3(b)是岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基复合材料放大50000倍的微观形貌；
图4为实施例1的岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基复合材料热导率随温度变化曲线与压缩应力-应变曲线，图4(a)为实施例1的岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基复合材料热导率随温度变化曲线，图4(b)为实施例1的岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基复合材料压缩应力-应变曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，实施例中材料常温热导率采用Fox-200型热导率测试仪测试，高温热导率采用PDB-12-4Y/P平板导热仪测试，材料的耐温性采用马弗炉测试，测试温度为1000℃，时间为1000s。但这些实施例不得用于解释对本发明保护范围的限制。
实施例1：如图1所示，本发明包括以下步骤
(1)岩棉纤维预制件成型：设计纤维预制件表观密度为0.26g/cm3，尺寸为210×210×20mm3，采用质量＝密度×体积计算所需岩棉纤维质量，称取岩棉纤维229.32g，用模具将称取的岩棉纤维夹持固定，并且使纤维排布方向垂直于隔热使用时的热流方向，获得岩棉纤维预制件。
(2)制备氧化硅混合溶胶：将水性硅溶胶(固含量20％)作为硅源，加入硝酸铵与氨水(0.5mol/L)，搅拌10min混匀，得到混合氧化硅溶胶，配置氧化硅混合溶胶2L备用。其中水性硅溶胶：硝酸铵：氨水摩尔比为1:1.78×10-3:9.82×10-2。
(3)真空浸渍：将岩棉纤维预制件置入开口的铁箱中，并将铁箱放入真空浸渍罐，抽真空至-0.098MPa；然后将混合氧化硅溶胶通过管路注入铁箱中，在真空状态下使混合氧化硅溶胶渗入岩棉纤维预制件孔隙中，硅溶胶的液面需超过纤维预制件最高点2厘米，确保硅溶胶完全覆盖预制件，并保压2h；最后，往真空浸渍罐中通入空气，使真空浸渍罐中的压力恢复至常压，取出纤维/溶胶混合体(连同铁箱)，并将铁箱密封；
(4)凝胶老化：将装有纤维/溶胶混合体的密封铁箱一同放入42℃水浴锅中静置12h凝胶，然后升温到60℃再继续静置老化24h，打开密封铁箱，取出纤维/凝胶混合体，得到纤维增强氧化硅湿凝胶复合材料；
(5)常压干燥：将(4)所得的纤维增强氧化硅湿凝胶复合材料放入鼓风干燥箱内进行常压干燥处理。温度选择为有利于水蒸发的100℃，经过48h后获得干燥的复合材料。
(6)重复浸渍：将(5)所得的氧化硅基隔热复合材料继续与第(2)步配制的氧化硅混合溶胶进行(3)～(5)的真空浸渍、凝胶老化和常压干燥，得到二次浸渍的岩棉纤维增强氧化硅复合材料。
(7)高温烧结：将二次浸渍的岩棉纤维增强氧化硅复合材料放到马弗炉中烧结，烧结制度：室温升至450℃，升温速度3℃/min，保温2h，随炉降温。即可得到岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料。
实施例1制备的岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基高强度隔热复合材料密度为0.78g/cm3，常温热导率为0.1033W/m·K，800℃时热导率为0.169W/m·K，最大压缩强度可达62.8MPa，经过800℃×1000s热处理后线收缩0.4％以内，1000℃×1000s热处理后线收缩为3.12％。
图2为实施例1的岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基复合材料经不同温度热处理后表观形貌，图2(a)为室温(25℃)状态下材料表观形貌，材料具有较好的成型性能；图2(b)是材料分别在600℃，800℃，1000℃下热处理1000s之后材料表观形貌，可以看出材料经过不同温度热处理后仍能保持尺寸不发生明显变化，具有相对较高的耐温性；其中经过1000℃×1000s热处理后，材料尺寸会有略微的收缩，但仍能保持基本形状。
图3为实施例1的岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基高强度隔热复合材料微观形貌，图3(a)(比例尺为10um)是岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基复合材料放大3000倍的微观形貌；图3(b)(比例尺为500nm)是岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基复合材料放大50000倍的微观形貌；从图3(a)可以看出，复合材料由岩棉纤维和氧化硅基体组成，氧化硅基体填充在岩棉纤维孔隙中，且紧密包覆在纤维的周围，与纤维具有较好的界面结合；从图3(b)可以看出氧化硅基体由氧化硅颗粒堆积形成，基体当中存在许多纳米级空隙，有利于降低材料热导率。高强度的岩棉纤维与氧化硅基体对复合材料形成很强的支撑作用，使得复合材料具有很高的力学性能。
图4为实施例1的岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基复合材料热导率随温度变化曲线与压缩应力-应变曲线。从图4(a)可以看出材料具有较低的常温(25℃)热导率(0.1033W/m·K)，随着温度升高，材料热导率增大，800℃时热导率仅为0.145W/m·K。图4(b)为岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基复合材料压缩应力-应变曲线，可以看出开始随着应变的增大，材料压缩强度逐渐增大；当应变为28％时，材料压缩强度达到最大(62.8MPa)；之后随着应变增大，材料的压缩强度逐渐减小，材料呈现非脆性破坏。
本发明第一步制备纤维预制件过程中，纤维的表观密度对复合材料的热导率和力学性能有重要影响，增加纤维表面密度增加，可以进一步提高材料的力学性能，但材料的热导率也会增大。第二步制备氧化硅混合溶胶时，硝酸铵与氨水用量极少，添加量只需在范围内(即水性硅溶胶：硝酸铵：氨水摩尔比为1:(1.58～1.98)×10-3:(9.72～9.92)×10-2)，可使混合溶胶在8～12h内凝胶即可，对复合材料的性能影响不大。第三步真空浸渍过程中，在本发明所用的真空度和保压时间范围内，都可以保证溶胶均匀渗入纤维预制件中，对材料最终性能无影响。第四、五步中凝胶老化的温度与时间、干燥温度等也对材料性能影响较小。第六步重复浸渍，随着浸渍次数增大，材料密度明显增大，强度增大，热导率提高，浸渍次数对材料性能有明显影响。第七步的高温烧结参数包括烧结温度、烧结时间、升温速度，其中烧结温度对材料性能影响较为显著。
因此，影响本发明复合材料性能的工艺参数主要为纤维表观密度(0.18～0.30g/cm3)、浸渍次数(2～6次)、烧结温度(室温升至300～600℃)等3个参数，所以实施例2～36主要改变这3个工艺参数以进一步解释本发明。实施例2～36所采用的工艺参数如表1所示，除了表中所写工艺参数外，其余工艺参数与实施例1相同。
表1岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基高强度隔热复合材料制备工艺参数及材料性能参数
Figure BDA0002445053220000081
Figure BDA0002445053220000091
Figure BDA0002445053220000101

Claims (7)

1.一种岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料，其特征在于岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基高强度隔热复合材料由氧化硅基体和岩棉纤维预制件组成，氧化硅基体填充于岩棉纤维的孔隙中并使岩棉纤维粘接成整体；其中岩棉纤维预制件由岩棉纤维铺排而成，且岩棉纤维排布方向垂直于隔热使用时的热流方向，表观密度范围在0.18~0.30g/cm3之间，所述岩棉纤维直径为1 μm；氧化硅基体由氧化硅小颗粒堆积形成，氧化硅小颗粒由水性硅溶胶经过凝胶老化、常压干燥、重复浸渍、高温烧结工艺得到，所述水性硅溶胶要求固含量为20%，颗粒粒径为15 nm；氧化硅基体占岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料的质量分数为21~37%，岩棉纤维预制件占岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料的质量分数为63~79%。
2.一种制备如权利要求1所述岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，制备岩棉纤维预制件，方法是：
采用质量=密度×体积计算所需岩棉纤维质量，所述岩棉纤维预制件表观密度范围为0.18~0.30g/cm3，所述岩棉纤维直径为1 μm，按计算所需的质量称取岩棉纤维，用模具将称取的岩棉纤维夹持固定，并且使岩棉纤维排布方向垂直于隔热使用时的热流方向，获得岩棉纤维预制件；
第二步，准备水性氧化硅混合溶胶，方法是：
向水性硅溶胶中加入硝酸铵与氨水，水性硅溶胶：硝酸铵：氨水摩尔比为1:（1.58~1.98）×10-3:（9.72~9.92）×10-2，室温下搅拌后得到水性氧化硅混合溶胶；所述水性硅溶胶固含量为20%，颗粒粒径为15 nm；
第三步，真空浸渍，方法是：
将岩棉纤维预制件放置在密封的容器中，采用抽真空方式进行溶胶浸渍：首先将第二步所得的水性氧化硅混合溶胶渗入岩棉纤维预制件中，硅溶胶要求完全覆盖预制件，待水性氧化硅混合溶胶渗入岩棉纤维预制件后，保压1~2h后打开真空浸渍罐阀门使得容器内的压力变为常压，得到含有水性氧化硅混合溶胶的岩棉纤维预制件，即纤维/溶胶混合体，然后将容器密封；
第四步，凝胶老化，方法是：
将装有纤维/溶胶混合体的密封容器放入鼓风干燥箱中，静置12~48h后，纤维/溶胶混合体中的溶胶变成凝胶，然后将密封容器打开，取出纤维/凝胶混合体，得到岩棉纤维增强氧化硅湿凝胶复合材料；
第五步，常压干燥，方法是：
将岩棉纤维增强氧化硅湿凝胶复合材料放入鼓风干燥箱内进行常压干燥处理，经过36~72h，待岩棉纤维增强氧化硅湿凝胶复合材料质量不再变化后获得干燥的岩棉纤维增强氧化硅复合材料；
第六步，重复浸渍，方法是：
将第五步所得的干燥岩棉纤维增强氧化硅基复合材料继续与第二步制备的氧化硅混合溶胶进行真空浸渍、凝胶老化与常压干燥，完全按照第三步所述真空浸渍方法进行真空浸渍，按第四步所述凝胶老化方法进行凝胶老化，按第五步所述常压干燥方法进行常压干燥，如此将第二步、第三步、第四步与第五步重复进行2~6次，得到重复浸渍的岩棉纤维增强氧化硅复合材料；
第七步，高温烧结，方法是：
将重复浸渍后的岩棉纤维增强氧化硅复合材料放到马弗炉中烧结，得到岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基高强度隔热复合材料。
3.如权利要求2所述的制备岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料的方法，其特征在于第二步所述氨水浓度为0.5 mol/L，所述室温下搅拌时的室温指20~35℃，搅拌的时间为10~30min。
4.如权利要求2所述的制备岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料的方法，其特征在于第三步所述抽真空方式指抽真空后大气压为-0.096~-0.1MPa。
5.如权利要求2所述的制备岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料的方法，其特征在于第三步所述将水性氧化硅混合溶胶渗入岩棉纤维预制件中时，要求硅溶胶的液面超过纤维预制件最高点2厘米。
6.如权利要求2所述的制备岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料的方法，其特征在于第四步所述将装有纤维/溶胶混合体的密封容器放入鼓风干燥箱中进行凝胶老化时，鼓风干燥箱的温度要求为40~60℃，第五步所述将岩棉纤维增强氧化硅湿凝胶复合材料放入鼓风干燥箱内进行常压干燥处理时，鼓风干燥箱的温度要求为90~110℃。
7.如权利要求2所述的制备岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料的方法，其特征在于第七步所述高温烧结制度为：室温升至300~600℃，升温速度为1~10℃/min，保温0.5~2h，随炉降温。
CN202010276755.XA 2020-04-10 2020-04-10 岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料及其制备方法 Active CN111454071B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010276755.XA CN111454071B (zh) 2020-04-10 2020-04-10 岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010276755.XA CN111454071B (zh) 2020-04-10 2020-04-10 岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111454071A CN111454071A (zh) 2020-07-28
CN111454071B true CN111454071B (zh) 2022-10-21

Family

ID=71676241

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010276755.XA Active CN111454071B (zh) 2020-04-10 2020-04-10 岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111454071B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112250450B (zh) * 2020-09-15 2022-05-03 航天特种材料及工艺技术研究所 一种可耐2000℃高温的隔热瓦坯体的制备方法
CN112523006B (zh) * 2020-11-27 2022-12-27 山东鲁阳节能材料股份有限公司 一种二次浸渍制备高密度陶瓷纤维板的方法
CN112500181B (zh) * 2020-12-18 2023-05-05 湖北三江航天江北机械工程有限公司 氧化硅短纤维模压陶瓷天线窗复合材料及其制备方法
CN112743932B (zh) * 2021-01-27 2022-08-12 航天材料及工艺研究所 一种防隔热集成一体化材料及其制备方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5591513B2 (ja) * 2009-10-16 2014-09-17 ニチアス株式会社 断熱材及びその製造方法
CN103570371A (zh) * 2012-08-01 2014-02-12 苏州宏久航空防热材料科技有限公司 一种提高氧化物纤维增韧二氧化硅陶瓷基复合材料均匀致密性的制备方法
CN103073237B (zh) * 2013-01-18 2014-08-20 哈尔滨工程大学 一种玄武岩纤维与气凝胶粉体复合隔热材料及其制备方法
CN104876637A (zh) * 2015-05-25 2015-09-02 中航复合材料有限责任公司 一种纤维增强纯无机阻燃泡沫复合材料及其制备方法
CN109824339A (zh) * 2017-11-23 2019-05-31 穆振奎 一种具有隔热性能的岩棉/气凝胶复合材料及其制备工艺
CN109384459B (zh) * 2018-11-23 2020-12-29 航天特种材料及工艺技术研究所 一种纤维增强二氧化硅隔热陶瓷材料及其制备方法和应用
CN110386810B (zh) * 2019-09-03 2022-02-15 江西嘉捷信达新材料科技有限公司 一种预应力陶瓷基雷达天线罩/天线窗复合材料的制备方法及应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN111454071A (zh) 2020-07-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111454071B (zh) 岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料及其制备方法
CN103922778B (zh) 三维氧化铝纤维织物增强氧化物陶瓷及其制备方法
CN105967728B (zh) 一种纤维增强Al2O3-SiO2气凝胶高效隔热复合材料及其制备方法
CN106699209B (zh) 连续氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法
CN104926344B (zh) 硅酸铝纤维增强氧化物陶瓷及其制备方法
CN102910926B (zh) 一种耐高温碳化硅气凝胶隔热复合材料的制备方法
CN103553616B (zh) 原位生长SiC纳米线增强C/SiC复合材料及其制备方法
CN110590388B (zh) 一种低成本、高效氧化铝纤维增强氧化铝复合材料制备方法
CN101913835A (zh) 一种泡沫陶瓷增强纤维气凝胶隔热材料及其制备方法
CN109251005B (zh) 一种增强二氧化硅气凝胶材料的制备方法
CN108793984A (zh) 一种耐高温隔热透波功能一体化复合材料及其制备方法
CN111285699B (zh) 一种轻质可重复使用的防隔热材料及其制备方法
CN109020593A (zh) 一种弹性耐高温陶瓷隔热瓦及其制备方法
CN109437943A (zh) 一种Cf/C-SiC-ZrB2复合材料及其制备方法
CN104193384A (zh) 一种氧化锆基多孔复合材料及其制备方法
CN112125649B (zh) 三相陶瓷纤维复合隔热瓦的制备方法
CN106626581B (zh) 一种改进耐高温夹层结构隔热材料的应变性能的方法及由该方法制得的材料
CN112062515B (zh) 一种利用碳化硅制备的高强地聚合物闭孔发泡材料及其制备方法
CN111844962B (zh) 一种陶瓷纤维增强气凝胶毡及其制备方法
CN103922794B (zh) 三维氧化铝纤维织物增强多孔莫来石陶瓷及其制备方法
CN108774072B (zh) 一种刚性隔热瓦及其制备方法
CN111718208A (zh) 一种陶瓷基复合材料用耐高温涂层的制备方法
CN113831102B (zh) 连续玄武岩纤维增强磷酸基地质聚合物复合材料及其制备方法
CN105523768B (zh) 一种掺杂改性的陶瓷纤维的隔热材料及其制备方法
CN101386545B (zh) 一种改进轻质耐火砖力学性能的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant