CN113858718B - 一种中温使用的轻质柔性隔热材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中温使用的轻质柔性隔热材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)提供纤维针刺预制体、间热层、纤维布和纤维缝合线；(2)将纤维针刺预制体与间热层交替叠层得到多层纤维预制体；(3)用纤维布包裹所述多层纤维预制体并用所述纤维缝合线进行缝合，制得所述中温使用的轻质柔性隔热材料。本发明还提供了由所述方法制得的轻质柔性隔热材料。本发明制备的隔热材料质轻、中温环境高效隔热、可设计性强、工艺简单，周期短、可操作性强，在新一代的航空航天飞行器异型空间间隙隔热防护领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及隔热材料技术领域，尤其涉及一种中温使用的轻质柔性隔热材料及其制备方法。
背景技术
新一代的航空航天飞行器内部结构中存在大量异型空间间隙需要进行隔热防护，这样的隔热防护具有以下特点：1)结构空间间隙在飞行器内部，所以材料的耐温要求一般较低(100～400℃)；2)由于飞行器减重要求，隔热材料的密度必须尽可能低；3)部分飞行器内部结构的空间间隙无法提前精准确定，这就要求隔热材料可压缩性强，从而具备良好的装配适应性；4)飞行器内部的结构间隙一般需要在装配时进行轻微调整，使得隔热材料的制作和敷设需要在飞行器装配时进行，这就要求材料的成型工艺必须简单、工艺流程要短；5)由于结构空间限制，可供隔热材料填充的空间极其有限，必须在限定的空间厚度内将飞行器舱内温度降到安全值，这对隔热材料在全工作温度区间内的隔热性能提出极高的要求。
目前航空航天飞行器使用的隔热材料主要为气凝胶、陶瓷瓦等刚性隔热材料以及纤维毡等柔性隔热材料。其中，气凝胶、陶瓷瓦等刚性隔热材料由于存在密度大、成型工艺复杂、工艺周期长、无法现场调整修配和/或不可压缩弯折等缺点，无法适用于上述结构空间间隙的隔热防护；传统的纤维毡隔热材料一方面由于其成型工艺一般为湿法成型而导致其压缩性能较差，无法满足异型空间间隙的装配适应性，另一方面由于其纤维相互搭接形成的热桥效应和孔隙较大而无法很好地抑制高温下的气相热传导和热对流，以及高温下辐射传热效应的明显增大，导致其隔热性能较差，无法满足异型有限空间间隙的隔热需求。针对纤维毡隔热材料高温隔热性能较差的问题，现有做法为在纤维毡中设置反射屏来抑制高温环境下材料的辐射传热，这一般基于高温环境的使用需求，使用的反射屏为金属箔材，而对于上述中温环境异型空间间隙的使用需求，金属箔材则无法满足，一是因为金属箔材密度大，无法满足材料的轻质要求，二是因为金属箔材本身热导率较大，导致材料的整体导热性过大；三是因为金属箔材表面质量较为粗糙，在热辐射非常明显的高温环境其反射热辐射的作用虽然比较明显，但是在较低的温度(100～400℃)下，其反射热辐射的作用很微弱，无法满足材料的隔热要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
在现有的航空航天飞行器结构内的异型空间间隙隔热防护中材料及其制备方法中存在的工艺复杂、材料密度高、压缩性能差、隔热性能差和柔性不足等问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种中温使用的轻质柔性隔热材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)提供纤维针刺预制体、间热层、纤维布和纤维缝合线，其中，所述间热层为聚合物镀金属膜或陶瓷膜；
(2)将所述纤维针刺预制体与所述间热层交替叠层得到多层纤维预制体；
(3)用所述纤维布包裹所述多层纤维预制体并用所述纤维缝合线进行缝合，制得所述中温使用的轻质柔性隔热材料。
本发明第二方面提供了一种中温使用的轻质柔性隔热材料，所述中温使用的轻质柔性隔热材料按照本发明第一方面所述的制备方法制备得到。优选的是，所述中温使用的轻质柔性隔热材料的密度为0.09～0.15g/cm3；所述中温使用的轻质柔性隔热材料的20％压缩形变的压缩强度为0.01～0.02Mp；和/或所述中温使用的轻质柔性隔热材料在300℃的导热系数为0.020～0.030W/m·K。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
(1)本发明制备的中温使用的轻质柔性隔热材料可对飞行器结构内的异型空间间隙实施有效的隔热防护。
(2)本发明制备的中温使用的轻质柔性隔热材料质轻，密度可以被控制在0.09～0.15g/cm3之间。
(3)本发明制备的中温使用的轻质柔性隔热材料压缩性能好，可压缩性强，隔热材料20％压缩形变的压缩强度为0.01～0.02Mp。
(4)本发明制备的中温使用的轻质柔性隔热材料高温导热系数低，具有较好的隔热性能，300℃导热系数为0.020～0.030W/m·K。
(4)本发明制备的隔热材料柔性好、工艺简单、周期短、可设计性强、、可操作性强，可通过采用不同厚度和层数的纤维针刺预制体、纤维布、间热层以获得目标隔热材料。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种中温使用的轻质柔性隔热材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)提供纤维针刺预制体、间热层、纤维布和纤维缝合线，其中，所述间热层为聚合物镀金属膜或陶瓷膜；
(2)将所述纤维针刺预制体与所述间热层交替叠层得到多层纤维预制体；
(3)用所述纤维布包裹所述多层纤维预制体并用所述纤维缝合线进行缝合，制得所述中温使用的轻质柔性隔热材料。
在一些优选的实施方式中，步骤(1)中的纤维针刺预制体由选自玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维中的一种或多种以上的组合制得。优选的是，所述纤维针刺预制体由选自玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤维、莫来石纤维中一种或多种的组合制得。
在一些优选的实施方式，纤维针刺预制体厚度为1mm～5mm(例如为2、3或4mm)。
在一些优选的实施方式中，在步骤(1)中，用于制备所述纤维针刺预制体的纤维的长度为5～30cm(例如为10、15、20或25cm)，纤维直径为5～20μm(例如为10或15μm)，针刺密度为80～200刺/cm2(例如为100或150刺/cm2)。针刺密度直接决定纤维针刺预制体的密度和压缩性能，无论是过大还是过小的针刺密度，都不能获得具有所需求的密度和压缩性能的纤维针刺预制体。
在一些优选的实施方式中，在步骤(1)中，所述间热层为聚酰亚胺镀或聚酯镀金属膜或陶瓷膜。更优选的是，所述间热层的厚度为10～50μm(例如为20、30或40μm)。
在一些优选的实施方式中，步骤(1)中所述的纤维布由选自由玻璃纤维、玄武岩纤维、石英纤维和莫来石纤维组成的组的纤维制成。在一些更优选的实施方式中，步骤(1)中所述的纤维布由选自由玻璃纤维、石英纤维和莫来石纤维中一种或者两种以上的组合制得。
所述纤维纱线的线密度为20～50t，例如可以为20、25、30、35、40、45、50t；所述纤维纱线的捻度为50～80T/M，例如可以为50、55、60、65、70、75、80T/M。就纤维纱线的线密度而言，由于是二维编织，所以密度越大，纤维布厚度越大。就纤维纱线的捻度而言，在一定范围内，捻度越大，纱线强力越大。在一些优选的实施方式中，通过调节纤维纱线的线密度和/或纱线捻度，可以根据需要制得不同厚度、面密度、强度的纤维布。
在一些优选的实施方式中，纤维布的面密度优选为80～500g/m2(例如为100、200、300或400g/m2)。在另外一些实施方式中，纤维布的厚度优选为0.1～0.4mm(例如为0.2或0.3mm)。
在一些优选的实施方式中，在步骤(2)中，可根据应用需求，设计多层纤维针刺预制体与间热层组合的方式。在一些优选的实施方式中，纤维针刺预制体层数为2～10层(例如为5或8层)。
本发明对纤维缝合线的选用没有特别的限制，只要能够保证缝合用强度即可。但是在一些更优选的实施方式中，在步骤(3)中，所述缝合线采用线密度为90～200t(例如为100或150t)的纱线制得。
适当的缝合间距可以保证隔热材料的柔性和强度，因此在一些优选的实施方式中，缝合间距为20～40mm(例如为25、30或35mm)。
本发明在第二方面提供了一种中温使用的轻质柔性隔热材料，该材料采用本发明第一方面所述的方法制得。优选的是，所述中温使用的轻质柔性隔热材料具有如下特性：(1)密度为0.09～0.15g/cm3；(2)20％压缩形变的压缩强度为0.01～0.02Mp；(3)300℃导热系数为0.020～0.030W/m·K。
本发明以纤维针刺预制体为隔热层，以聚合物镀金属膜或者陶瓷膜为间热层，相互交替叠层，用纤维布包裹缝合的封装方式将各层材料成型为一体，制备一种可满足上述异型空间间隙隔热防护的中温使用的轻质柔性隔热材料。本发明人发现，针刺成型的纤维预制体的压缩性能好、可压缩性强，可以满足材料异型空间间隙的适配性要求。另外，间热层密度低，绝热性好，由于表面光滑而对辐射热的反射作用极强，可以很好地抑制纤维类隔热材料高温下的对流传热和辐射传热。而且，纤维布包裹缝合成型的方式工艺简单、周期短，无需使用复合材料成型的粘接、固化等步骤，满足现场调整制备的窗口需求。具体做法为首先提供纤维针刺预制体、间热层、纤维布和纤维缝合线，然后将纤维针刺预制体与间热层交替叠层，最后用纤维布包裹并用纤维缝合线对叠层隔热材料预制体进行缝合，得到所需的中温使用的轻质柔性隔热材料。本发明制备的隔热材料质轻、中温环境高效隔热、可设计性强、工艺简单，周期短、可操作性强，在新一代的航空航天飞行器异型空间间隙隔热防护领域具有良好的应用前景。
实施例
下文将以实施例的方式对本发明进行举例说明，但是本发明的保护范围不限于这些实施例。
实施例1
在本实施例中，制备本发明所述的中温使用的轻质柔性隔热材料。其中纤维针刺预制体(购自荆州天开石英科技有限公司)选用石英纤维针刺预制体(由长度为20cm、直径为15μm的的石英纤维制得)；纤维布(购自天津中天俊达玻璃纤维制品有限公司)由石英纤维纱线(纱线线密度为30t，纱线捻度为70T/M，纤维布面密度为300g/m2)二维编织制成；纤维缝合线选用线密度为190t的石英纤维纱线；间热层选用聚酰亚胺镀铝膜(购自扬州众想科技绝缘材料有限公司)。
首先将石英纤维针刺成型得到的石英纤维针刺预制体与聚合物镀铝膜交替叠层得到多层纤维预制体。然后，用由石英纤维纱线二维编织得到的石英纤维布包裹所述多层纤维预制体，并用石英纤维缝合线缝合(缝合间距为30mm)，得到所述中温使用的轻质柔性隔热材料，并对所得材料的性能进行测定，测定结果见表1。
实施例2至4
除了表1所列内容之外，采用与实施例1相同的方式实施。
比较例1至3
除了表1所列内容之外，采用与实施例1相同的方式实施，但是不使用聚合物镀金属或陶瓷膜。
比较例4
除了表1所列内容之外，采用与实施例1基本相同的方式实施，其中采用等密度的石英纤维棉毡预制体代替所述石英纤维针刺预制体。
比较例5
除了表1所列内容之外，采用与实施例1基本相同的方式实施，其中采用厚度为25μm的铝箔作为所述间热层。
表1各实施例和比较例所制备的隔热材料的测试性能数据
注：压缩强度为20％压缩形变的压缩强度；导热系数为300℃导热系数。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (13)
1.一种中温使用的轻质柔性隔热材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）提供针刺密度为80~200刺/cm2的纤维针刺预制体、间热层、纤维布和纤维缝合线，其中，所述间热层为聚酰亚胺镀金属膜、聚酯镀金属膜或陶瓷膜；
（2）将所述纤维针刺预制体与所述间热层交替叠层，得到多层纤维预制体；
（3）用所述纤维布包裹所述多层纤维预制体并用所述纤维缝合线进行缝合，制得所述中温使用的轻质柔性隔热材料；
其中，所述中温使用的轻质柔性隔热材料的密度为0.09～0.15g/cm3；所述中温使用的轻质柔性隔热材料的20%压缩形变的压缩强度为0.01～0.02Mp；所述中温使用的轻质柔性隔热材料在300℃的导热系数为0.020～0.030W/m·K。
2.根据权利要求1所述的一种中温使用的轻质柔性隔热材料的制备方法，其特征在于：
所述纤维针刺预制体选自玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种中温使用的轻质柔性隔热材料的制备方法，其特征在于：
所述纤维针刺预制体选自玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤维、莫来石纤维中一种或者多种。
4.根据权利要求1所述的一种中温使用的轻质柔性隔热材料的制备方法，其特征在于：
所述纤维针刺预制体的厚度为1mm～5mm。
5.根据权利要求1所述的一种中温使用的轻质柔性隔热材料的制备方法，其特征在于：
所述间热层的厚度为10至50μm。
6.根据权利要求1所述的一种中温使用的轻质柔性隔热材料的制备方法，其特征在于：
所述纤维布由选自玻璃纤维、玄武岩纤维、石英纤维和莫来石纤维中的一种或多种制得。
7.根据权利要求1所述的一种中温使用的轻质柔性隔热材料的制备方法，其特征在于：
所述纤维布由选自由玻璃纤维、石英纤维和莫来石纤维中一种或者两种以上的组合制得。
8.根据权利要求1所述的一种中温使用的轻质柔性隔热材料的制备方法，其特征在于：
所述纤维布的纤维纱线的线密度为20～50t，和/或
所述纤维布的纤维纱线的捻度为50～80T/M。
9.根据权利要求8所述的一种中温使用的轻质柔性隔热材料的制备方法，其特征在于：
所述纤维布的面密度为80～500g/m2；和/或
所述纤维布的单层厚度为0.1～0.4mm。
10.根据权利要求1所述的一种中温使用的轻质柔性隔热材料的制备方法，其特征在于：
所述纤维针刺预制体层数为2～10层。
11.根据权利要求1所述的一种中温使用的轻质柔性隔热材料的制备方法，其特征在于：
所述纤维缝合线由线密度为90～200t的纱线制得；和/或
所述缝合的缝合间距为20～40mm。
12.一种中温使用的轻质柔性隔热材料，其特征在于：
由权利要求1至11任一项所述的一种中温使用的轻质柔性隔热材料的制备方法制备得到。
13.根据权利要求12所述的中温使用的轻质柔性隔热材料，其特征在于：
所述中温使用的轻质柔性隔热材料的密度为0.09～0.15g/cm3；
所述中温使用的轻质柔性隔热材料的20%压缩形变的压缩强度为0.01～0.02Mp；
所述中温使用的轻质柔性隔热材料在300℃的导热系数为0.020～0.030W/m·K。
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