CN113669558A - 一种基于树脂基碳泡沫的隔热瓦及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布一种基于树脂基碳泡沫的隔热瓦及其制备方法。所述隔热瓦的结构包括隔热层、外面板、密封板、底面板；所述隔热层具备隔热功能；所述外面板起到表面增强的作用，保护内部结构免受气流冲蚀以及表面冲击损伤，所述密封板与所述底面板是一层致密的耐高温薄板，共同紧密包裹所述隔热层，阻挡氧气进入，避免碳泡沫氧化；所述底面板与主结构连接。本发明的隔热层，具备与隔热陶瓷相近的密度和热导率，但模量和强度更高，长期使用温度也更高；通过设计所述外面板、密封板与底面板，解决了树脂基碳泡沫易氧化的问题，增加了隔热瓦的刚度、强度和抗冲击性能；树脂基碳泡沫的造价低廉，可以大量生产，使得隔热瓦的应用成本较低，应用面更广。

Description

一种基于树脂基碳泡沫的隔热瓦及其制备方法
技术领域
本发明涉及热防护领域，具体的涉及一种基于树脂基碳泡沫的隔热瓦及其制备方法，所述隔热瓦为轻质耐高温可重复使用的隔热瓦。
背景技术
近20年来，树脂基碳泡沫成为轻质耐高温隔热材料制备技术和应用开发研究方面的热点之一。当前国内树脂基碳泡沫密度为0.10-0.25g/cm3，常温热导率0.05W/(m·K)，2000℃下热导率小于1W/(m·K)，杨氏模量100-250MPa，压缩强度0.10-2MPa，密封无氧条件下能在2400℃的环境中分子结构保持稳定。相比于高性能陶瓷隔热材料，树脂基碳泡沫具备与其相近的密度和热导率，但具有更高的模量和强度，耐受更高温度。因此，树脂基碳泡沫在航空航天的应用具有很大的潜力，比如用于气动热严重的飞行器结构、发动机进气道和尾喷管等的热防护层。树脂基碳泡沫的成本比陶瓷、硅气凝胶等高性能隔热材料低，在民用领域也有很大应用前景。
树脂基碳泡沫存在氧化问题，在有氧环境中400℃开始氧化，所以，树脂基碳泡沫在实际使用中通常须要进行抗氧化处理。传统的抗氧化处理包括气相沉积和表面涂层两种工艺，气相沉积工艺抗氧化效果较差，而且会显著增加材料热导率，严重削弱材料隔热性能；表面涂层容易脱落或损坏，难以长期使用。
树脂基碳泡沫在应用中还存在表面保护问题。树脂基碳泡沫为多孔结构，表面容易损伤且不光滑，在高速气流中易被侵蚀，因此，须要设计一种与树脂基碳泡沫匹配的防护面板。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明以树脂基碳泡沫为隔热材料，设计了与之匹配的抗氧化封装结构和防护面板，合成后的结构作为隔热瓦，具有隔热效果好、重量轻、耐高温、耐冲蚀、可重复使用的特点，可以替代传统陶瓷瓦应用在高超声速飞行器或者空天往返器上，同时，也为其它需要高温隔热的应用提供一种可靠的解决方案。
本发明采用的技术方案是：
一种基于树脂基碳泡沫的隔热瓦，所述隔热瓦包括隔热层1、外面板2、密封板3、底面板4。所述隔热层1具备隔热功能，所述外面板2起到表面增强的作用，保护内部结构免受气流冲蚀以及表面冲击损伤。所述密封板3与所述底面板4共同紧密包裹所述隔热层1，阻挡氧气进入，避免碳泡沫氧化。所述外面板2覆盖于密封板3上。
所述密封板3与所述底面板4分别都是一层致密的耐高温的薄板。优选地所述的高温是指温度≤1400℃。优选地所述的薄板厚度大于0且小于等于5mm。
所述底面板4与主结构5连接，当所述隔热瓦工作环境温度大于600℃时，连接方式选择胶黏剂连接，当所述隔热瓦工作环境温度小于600℃时，尤其是低于400℃时，除胶黏剂连接外，还可以在所述隔热瓦上打孔，用机械连接，比如膨胀螺栓等。所述隔热瓦可以根据实际需求设计成任何形状，任何符合上述结构形式的隔热瓦都在本发明保护范围内。
所述隔热层1由树脂基碳泡沫制成，须满足以下性能要求：密度0.10-0.25g/cm3，常温热导率0.05W/(m·K)，2000℃下热导率小于1W/(m·K)，杨氏模量100-250MPa，压缩强度0.10-10MPa。
所述外面板2的结构形式为层合板或夹层结构，层合板的材料可以是树脂、陶瓷、金属、纤维增强复合材料、C/C复合材料中的一种，夹层结构可以是金属、陶瓷、碳/碳材料所制成的蜂窝夹层结构、泡沫夹层结构、波纹板夹层结构、点阵结构中的一种。所述外面板2的材料选择依赖于所述隔热瓦的设计要求。
所述密封板3为薄板，优选地所述的薄板厚度大于0且小于等于5mm。所述密封板3包裹所述隔热层1除底面外的其它所有面，与所述外面板2的连接方式可以是胶接21或共固化22，如图2所示。所述胶接21即所述密封板3固化成型后再与所述外面板2粘接固化，所述共固化22即所述密封板3与所述外面板2共固化成型。
所述隔热层1的底面覆盖有底面板4。所述底面板4的结构形式为层合板或夹层结构，层合板的材料可以是树脂、陶瓷、金属、纤维增强复合材料、C/C复合材料中的一种，夹层结构可以是金属、陶瓷、碳/碳材料所制成的蜂窝夹层结构、泡沫夹层结构、波纹板夹层结构、点阵结构中的一种。因为其工作温度较所述外面板2的低，应根据其工作温度进行选材。
如上任一所述隔热瓦的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：隔热层1加工。将所述隔热层1按设计要求加工成所需形状，可由单块树脂基碳泡沫胚料机械加工成型，也可由多块胚料拼接(适用于大尺寸隔热瓦)后机械加工成型。拼接方法是，拼接处树脂基碳泡沫可加工成如图3所示的某一种构型，包括台阶搭接31、凹凸搭接32、搭扣搭接33、斜搭接34，在接缝处用耐高温胶黏剂粘接。
步骤2：外面板2与密封板3加工。所述密封板3与所述外面板2复合成型时，可采用胶接或共固化，成型时需要在所述外面板2的外表面与所述密封板3内部使用模具，以获得所需形状。当所述密封板3材料不是陶瓷基复合材料时，所述隔热层1的树脂基碳泡沫可以作为所述密封板3的内部模具，与所述密封板3一起固化成型；当所述密封板3材料是陶瓷基复合材料时，所述隔热层1的树脂基碳泡沫不可作为内部模具。
步骤3：封装所述隔热层1。将所述隔热层1放入所述密封板3中，用高温胶黏剂填充缝隙，将所述隔热层1固定住；所述底面板4与所述隔热层1的复合采用胶接连接，胶接固化时要保持抽真空。
所述隔热瓦的尺寸依赖于所述主结构5的变形，当所述主结构5总弯曲挠度小于1mm时，所述隔热瓦的尺寸可以与所述主结构5相同，形成一完整的隔热屏障，这样可以有效减少接缝处的热桥效应。由于所述隔热层1的树脂基碳泡沫可以采用拼接工艺，所述隔热瓦的尺寸不受原材料尺寸和工艺的限制，仅依赖于所述主结构5的构型、变形与尺寸。例如，所述主结构为飞行器主结构。
与现有隔热瓦相比，本发明所具有的有益效果是：本发明以树脂基碳泡沫作为隔热层，具备与隔热陶瓷相近的密度和热导率，但模量和强度更高，长期使用温度也更高；通过设计所述外面板2、所述密封板3与所述底面板4，解决了树脂基碳泡沫易氧化的问题，而且增加了所述隔热瓦的刚度、强度和抗冲击性能；树脂基碳泡沫的造价低廉，可以大量生产，使得所述隔热瓦的应用成本较低，应用面更广。
附图说明
图1是一种基于树脂基碳泡沫的轻质耐高温隔热瓦内部结构示意图；
图2外面板与密封板复合工艺示意图；
图3是树脂基碳泡沫拼接处构型示意图；
图4是一种树脂基碳泡沫隔热瓦实施例示意图。
其中：1-隔热层；2-外面板；3-密封板；4-底面板；5-主结构；21-胶接；22-共固化；31-台阶搭接；32-凹凸搭接；33-搭扣搭接；34-斜搭接；41-实施例隔热瓦；42-飞行器主结构表面；411-实施例隔热层；412-实施例外面板；413-实施例密封板；414-实施例底面板；4121-夹层结构面板；4122-夹层结构夹心；4131-凸台；4132-凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，然而附图及实施例仅提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
应用实施例1，一种应用于空天往返飞行器大面积表面区域的基于树脂基碳泡沫的隔热瓦，如图1所示，其结构包括：1)尺寸为300mm×300mm×30mm，材料为密度为0.15g/cm3、常温热导率为0.05W/(m·K)、杨氏模量为170MPa、压缩强度为1.1MPa的树脂基碳泡沫制成的隔热层1；2)厚度为4mm的石英纤维增强陶瓷基复合材料层合板制成的外面板2；3)厚度为1mm的石英纤维增强陶瓷基复合材料层合板制成的密封板3；
4)厚度为1mm的碳纤维增强双马树脂基复合材料制成的底面板4；5)属于某飞行器蒙皮一部分的主结构5。
其制备方法为：1)用数控机床将尺寸为320mm×320mm×35mm的树脂基炭泡沫胚料加工为300mm×300mm×30mm的所述隔热层1；2)制造外形尺寸为300mm×300mm×30mm盒体金属模具，将1mm含有陶瓷前驱体的石英纤维预浸料隔着脱模布紧密覆盖在盒体金属模具的5个外表面上，留300mm×300mm的一面不覆盖，再将4mm含有陶瓷前驱体的石英纤维预浸料覆盖在有1mm预浸料的300mm×300mm一面上，然后整体包装真空袋，放入热压罐200℃10h固化成型；3)成型后取出金属模具，得到共固化的所述外面板2与所述密封板3预制体；4)将预制体放入650℃的氮气气氛炉中烧制24h，陶瓷前驱体充分反应，得到共固化的所述外面板2与所述密封板3最终结构；5)将已加工好的所述隔热层1放入所述密封板3中，缝隙填充耐高温胶黏剂；6)将碳纤维增强双马树脂基复合材料预浸料覆盖在露出树脂基碳泡沫的一面，包裹真空袋后进热压罐250℃固化10h，形成所述底面板4；7)配置常温固化耐高温胶黏剂，将胶黏剂均匀涂抹在所述底面板4外表面，再将所述隔热瓦覆盖到所述主结构5外表面，保证所述底面板4含胶面与所述主结构5外表面接触，常温固化36h后，所述隔热瓦安装完毕。
应用实施例2，一种应用于可重复使用高超声速飞行器表面的基于树脂基碳泡沫的隔热瓦，如图4所示，实施例隔热瓦41为边长为600mm的六边形三维曲面构型，以0.2mm的间隙密集排列在飞行器主结构表面42，连接方式为机械连接，所述实施例隔热瓦41的结构包括：1)密度为0.15g/cm3、常温热导率为0.05W/(m·K)、杨氏模量为170MPa、压缩强度为1.1MPa的树脂基碳泡沫制成的实施例隔热层411；2)夹层结构制成的实施例外面板412，夹层结构面板4121由SiC/SiC复合材料制成，夹层结构夹心4122由炭化煤基碳泡沫制成；3)SiC/SiC复合材料制成的实施例密封板413，其上附有可提供机械连接的凸台4131，所述凸台4131分布在六边形隔热瓦的三个相邻的边，为了避免安装时所述凸台4131与其它所述实施例隔热瓦41干涉，另外三个边开凹槽4132；4)碳纤维增强双马树脂基复合材料制成的实施例底面板414。
其制备方法为：1)将4块350mm×350mm×60mm的树脂基碳泡沫拼接成700mm×700mm×60mm的胚料，接缝处加工成图3斜搭接34所示的形状，接缝处用高温胶黏剂粘接；2)将树脂基碳泡沫胚料机械加工成所述实施例隔热层411所需形状，厚度为40mm；3)将4块350mm×350mm×20mm的炭化煤基碳泡沫拼接成700mm×700mm×20mm的胚料，接缝处加工成图3斜搭接34所示的形状，接缝处用高温胶黏剂粘接；4)将煤基碳泡沫胚料机械加工成所述夹层结构夹心4122所需形状，厚度为15mm；5)用盒型模具制备所述凸台4131，材料为含有陶瓷前驱体的石英纤维预浸料；6)制造与所述实施例隔热层411形状尺寸相同的盒体金属模具，将1mm含有陶瓷前驱体的石英纤维预浸料隔着脱模布紧密覆盖在盒体金属模具的5个外表面上，留300mm×300mm的一面不覆盖，再将4mm含有陶瓷前驱体的石英纤维预浸料覆盖在有1mm预浸料的300mm×300mm一面上，再将所述实施例隔热层411覆盖在4mm预浸料外表面上，再将5mm含有陶瓷前驱体的石英纤维预浸料覆盖在所述实施例隔热层411外表面上，整体包装真空袋，放入热压罐200℃10h固化成型；7)成型后取出金属模具，胶黏剂粘接预制的所述凸台4131，得到共固化的所述实施例外面板412与所述实施例密封板413预制体；8)将预制体放入650℃的氮气气氛炉中烧制24h，陶瓷前驱体充分反应，得到共固化的所述实施例外面板2与所述实施例密封板3最终结构；9)将已加工好的所述实施例隔热层411放入所述实施例密封板413中，缝隙填充耐高温胶黏剂；10)将碳纤维增强双马树脂基复合材料预浸料覆盖在露出树脂基碳泡沫的一面，包裹真空袋后进热压罐250℃固化10h。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于树脂基碳泡沫的隔热瓦，其特征在于，所述隔热瓦包括隔热层(1)、外面板(2)、密封板(3)、底面板(4)，所述隔热层(1)具备隔热功能，所述外面板(2)起到表面增强的作用，保护内部结构免受气流冲蚀以及表面冲击损伤，所述密封板(3)与所述底面板(4)共同紧密包裹所述隔热层(1)，阻挡氧气进入，避免碳泡沫氧化；所述外面板(2)覆盖于密封板(3)上。
2.根据权利要求1所述的隔热瓦，其特征在于，所述密封板(3)与所述底面板(4)分别都是一层致密的耐高温的薄板；优选地所述的高温是指温度≤1400℃；优选地所述的薄板厚度大于0且小于等于5mm。
3.根据权利要求1所述的隔热瓦，其特征在于，所述底面板(4)与主结构(5)连接，当所述隔热瓦工作环境温度大于600℃时，连接方式选择胶黏剂连接，当所述隔热瓦工作环境温度小于600℃时，例如低于400℃时，选择胶黏剂连接或者在所述隔热瓦上打孔，用机械连接，比如膨胀螺栓。
4.根据权利要求1所述的隔热瓦，其特征在于，隔热层(1)由树脂基碳泡沫制成，满足以下性能要求：密度0.10-0.25g/cm3，常温热导率0.05W/(m·K)，2000℃下热导率小于1W/(m·K)，杨氏模量100-250MPa，压缩强度0.10-10MPa。
5.根据权利要求1所述的隔热瓦，其特征在于，外面板(2)的结构形式为层合板或夹层结构，层合板的材料是树脂、陶瓷、金属、纤维增强复合材料、C/C复合材料中的一种，夹层结构是金属、陶瓷、碳/碳材料所制成的蜂窝夹层结构、泡沫夹层结构、波纹板夹层结构、点阵结构中的一种。
6.根据权利要求1所述的隔热瓦，其特征在于，密封板(3)包裹所述隔热层(1)除底面外的其它所有面，与所述外面板(2)的连接方式是胶接(21)或共固化(22)。
7.根据权利要求6所述的隔热瓦，其特征在于，所述胶接(21)即所述密封板(3)固化成型后再与所述外面板(2)粘接固化，所述共固化(22)即所述密封板(3)与所述外面板(2)共固化成型。
8.根据权利要求1所述的隔热瓦，其特征在于，底面板(4)的结构形式为层合板或夹层结构，层合板的材料是树脂、陶瓷、金属、纤维增强复合材料、C/C复合材料中的一种，夹层结构是金属、陶瓷、碳/碳材料所制成的蜂窝夹层结构、泡沫夹层结构、波纹板夹层结构、点阵结构中的一种。
9.根据权利要求3所述的隔热瓦，其特征在于，隔热瓦的尺寸依赖于所述主结构(5)的变形，当所述主结构(5)总弯曲挠度小于1mm时，所述隔热瓦的尺寸与所述主结构(5)相同。
10.如权利要求1-9任一项所述的一种基于树脂基碳泡沫的隔热瓦的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：隔热层(1)加工将所述隔热层(1)按设计要求加工成所需形状，由单块树脂基碳泡沫胚料机械加工成型，或者由多块胚料拼接后机械加工成型；拼接方法是，拼接处树脂基碳泡沫加工成如下所述的其中一种构型：包括台阶搭接(31)、凹凸搭接(32)、搭扣搭接(33)、斜搭接(34)，在接缝处用耐高温胶黏剂粘接；
步骤2：外面板(2)与密封板(3)加工所述密封板(3)与所述外面板(2)复合成型时，采用胶接或共固化，成型时在所述外面板(2)的外表面与所述密封板(3)内部使用模具，以获得所需形状；当所述密封板(3)材料不是陶瓷基复合材料时，所述隔热层(1)的树脂基碳泡沫作为所述密封板(3)的内部模具，与所述密封板(3)一起固化成型；当所述密封板(3)材料是陶瓷基复合材料时，所述隔热层(1)的树脂基碳泡沫不可作为内部模具；
步骤3：封装所述隔热层(1)将所述隔热层(1)放入所述密封板(3)中，用高温胶黏剂填充缝隙，将所述隔热层(1)固定住；所述底面板(4)与所述隔热层(1)的复合采用胶接连接，胶接固化时要保持抽真空。
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