CN113858723A - 一种梯度热防护层结构试板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯度热防护层结构试板及其制备方法，制备方法包括：取平板结构状的金属体；制备隔热层；制备应变层；制备加强筋；制备防热层，并升温固化制得梯度热防护层结构试板；本发明通过选用纤维布及制备耐烧蚀的可陶瓷化预浸料，形成梯度或夹层结构外防热层，满足内部的高效隔热，采用低密度的气凝胶作为隔热层和加强筋进行支撑，以满足材料的抗压特性，保证整体热防护结构的可靠、稳定，通过协调应变层，满足热匹配问题，并在硅橡胶中预制一些孔隙，以解决加强筋部位在压缩时需可变形的空间问题及加强筋部位与气凝胶隔热效果间的差异问题，进而使其防护结构，具备较好的抗烧蚀性能、隔热性能及一定协调匹配能力。

Description

一种梯度热防护层结构试板及其制备方法
技术领域
本申请涉及复合材料成型技术领域，特别涉及一种梯度热防护层结构试板及其制备方法。
背景技术
随着现代航天技术的发展，飞行器以高马赫数在大气层中长时间机动飞行，气动加热较严重和持久，气动热环境为低热焓、低热流密度和长时间加热，若采用传统的热防护材料，则必须增加防热层厚度，但材料密度较高，不能满足轻量化、高效隔热要求，同时在热环境中的变形及应力释放形成的不匹配问题，会对产品造成一定的影响。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本申请提供一种梯度热防护层结构试板，以解决现有技术中的热防护系统不具备较好的抗烧蚀性能、隔热性能及一定协调匹配能力的问题。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种梯度热防护层结构试板，其包括：
金属体；
防热层；
隔热层，所述隔热层设于所述金属体与所述防热层之间，所述隔热层包括设于所述金属体上的气凝胶，且所述气凝胶上分布有交错的安装位，且所述安装位内设有加强筋；
应变层，所述应变层包括设于所述安装位内的硅橡胶。
本申请的另外一个目的在于提供一种梯度热防护层结构试板的制备方法。
一种梯度热防护层结构试板的制备方法，包括如下步骤：
S1、取金属体；
S2、取气凝胶，并粘接在所述金属体的表面上，形成隔热层；
S3、以纵横交错的方向，裁切气凝胶，形成加强筋安装位，取硅橡胶，并将所述硅橡胶粘接在安装位内，形成应变层；
S4、取与安装位相适配的第一纤维布，逐层铺覆在加强筋安装位内的硅橡胶上，直至填满加强筋安装位后加入微球预浸料，形成加强筋；
S5、取与所述金属体大小相同的第二纤维布，逐层铺覆在气凝胶顶面，并在所述第二纤维布上加入可陶瓷化预浸料，形成防热层，得到试板；
S6、将试板置于进行升温固化后，降温制得梯度热防护层结构试板。
进一步地，在S1步骤后，对金属体进行吹砂处理，且吹砂压力不大于0.2Mpa，并在吹砂处理后，采用酒精或丙酮清理所述金属体表面，并晾干。
进一步地，在S2中，气凝胶的厚度为5mm～8mm，所述气凝胶与所述金属体之间采用硅橡胶粘接剂、环氧树脂和酚醛预浸料中的一种粘接。
进一步地，第一纤维布与第二纤维布均采用高硅氧布、无碱布、石英布、碳布中的至少一种。
进一步地，在S3中，取硅橡胶后，在所述硅橡胶表面制孔，且所述硅橡胶表面制孔后的孔隙率为35％～65％，且所述硅橡胶采用硅橡胶粘接剂粘接在安装位内。
进一步地，在S5中，加强筋的总体积占气凝胶总体积的10％～30％。
进一步地，在S6中，所述防热层的厚度为5mm～8mm，且所述厚度的压缩率为5％～40％。
进一步地，在S6之后、S7之前，对试板进行包真空，取与所述试板尺寸相适配的吸胶材料包覆所述试板，并装设真空管嘴，所述真空管嘴用于析出在高温环境下释放的小分子物质，并在S7中，试板降温后拆除吸胶材料和真空管嘴。
进一步地，在S7中，将试样放入烘箱或热压罐中，并采用阶梯段升温至155℃～260℃，且每个阶梯段升温后还设有保温步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过选用纤维布及制备耐烧蚀的可陶瓷化预浸料，形成梯度或夹层结构外防热层，满足内部的高效隔热，采用低密度的气凝胶作为隔热层，并采用在气凝胶中增加强度较高的交错的加强筋进行支撑，加强筋采用选用纤维布并增加微球预浸料，以满足材料的抗压特性，保证整体热防护结构的可靠、稳定，另外还通过在加强筋底部增加一定厚度的硅橡胶，作为协调应变层，满足热匹配问题，并在硅橡胶中预制一些孔隙，以解决加强筋部位在压缩时需可变形的空间问题及加强筋部位与气凝胶隔热效果间的差异问题，进而使其防护结构，具备较好的抗烧蚀性能、隔热性能及一定协调匹配能力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的梯度热防护层结构试板的剖视图；
图中：1、金属体；2、硅橡胶；3、加强筋；4、气凝胶；5、防热层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
如图1所示，一种梯度热防护层结构试板，其包括：
金属体1；
防热层5；
隔热层，所述隔热层设于所述金属体1与所述防热层5之间，所述隔热层包括设于所述金属体1上的气凝胶4，且所述气凝胶4上分布有交错的安装位，且所述安装位内设有加强筋3；
应变层，所述应变层包括设于所述安装位内的硅橡胶2。
该梯度热防护层结构试板的原理是：通过选用纤维布及制备耐烧蚀的可陶瓷化预浸料，形成梯度或夹层结构外防热层5，满足内部的高效隔热，采用低密度的气凝胶4作为隔热层，并采用在气凝胶4中增加强度较高的交错的加强筋3进行支撑，加强筋3采用选用纤维布并增加微球预浸料，以满足材料的抗压特性，保证整体热防护结构的可靠、稳定，另外还通过在加强筋3底部增加一定厚度的硅橡胶2，作为协调应变层，满足热匹配问题，并在硅橡胶2中预制一些孔隙，以解决加强筋3部位在压缩时需可变形的空间问题及加强筋3部位与气凝胶4隔热效果间的差异问题，进而使其防护结构，具备较好的抗烧蚀性能、隔热性能及一定协调匹配能力。
具体的说，选用纤维布并采用中的一种或两种组织结构，通过制备耐烧蚀的可陶瓷化预浸料，形成梯度或夹层结构外防热层5，为满足内部的高效隔热，采用低密度的气凝胶4作为隔热层。
由于低密度气凝胶4强度较低，为满足材料的抗压特性，保证整体热防护结构的可靠、稳定，采用在气凝胶4中增加强度较高的交错布置的加强筋3进行支撑，加强筋3采用纤维布增加制备低密度的微球预浸料，制备加强筋3。
考虑产品在热环境中存在匹配问题，加强筋3位置压缩强度低，对加强筋3结构存在一定的风险，因此采用在加强筋3一侧增加一定厚度的硅橡胶2，作为协调应变层，满足热匹配问题，同时考虑加强筋3部位在压缩时需可变形的空间问题及加强筋3部位与气凝胶4隔热效果间的差异问题，通过提前在硅橡胶2中预制一些孔隙，来提供加强筋3在压缩时所需的可变形的空间。
本发明梯度热防护层结构试板的制备方法，具体包括如下步骤：
S1、取平板结构状的金属体1，并对其进行吹砂处理，并清理所述金属体1表面。
其中，吹砂是采用压缩空气为动力，利用高速砂流的冲击作用清理和粗化零件表面的过程，使工件的表面获得一定的清洁度，使工件表面的外表面的外表或形状发生变化，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度(清洁度和粗糙度是否有具体的限制)，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增加了它和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。
在上述的步骤S1中，吹砂压力不大于0.2Mpa，限制吹砂压力避免金属体1表面过度处理，并在吹砂处理后，采用酒精或丙酮清理所述金属体1表面，并晾干，提高后续粘接效果。
S2、取气凝胶4，并粘接在所述金属体1的吹砂面上，形成隔热层；
在上述步骤S2中，气凝胶4的厚度为5mm～8mm，保持所述气凝胶4一定的抗压特性，且所述气凝胶4与所述金属体1之间采用硅橡胶2粘接剂、环氧树脂和酚醛预浸料中的一种粘接，增加整体性。
S3、以纵横交错的方向，裁切气凝胶4，形成加强筋3安装位；
纵横交错布置的加强筋3安装位，在制备和安装加强筋3之后，纵横交错布置在加强筋3安装位内的加强筋3可以在横向与纵向都起到结构强化的作用，提高防护层结构试板的稳定性。
S4、取与加强筋3安装位相适配的硅橡胶2，并在所述硅橡胶2表面制孔，并采用硅橡胶2粘接剂将所述硅橡胶2粘接在加强筋3安装位的底面上，形成应变层；
S5、取与加强筋3安装位相适配的第一纤维布，逐层铺覆在加强筋3安装位内的硅橡胶2上，直至填满加强筋3安装位后加入微球预浸料，形成加强筋3；
且上述第一纤维布采用高硅氧布、无碱布、石英布、碳布中的至少一种，并按照平纹、斜纹、缎纹、网格中的至少一种进行第一纤维布的布置。
在上述步骤S5中，加强筋3的总体积占气凝胶4总体积的10％～30％，减少该加强筋3占用空间的前提下，保持该加强筋3所需的结构强度。
进一步地，所述硅橡胶2表面制孔后的孔隙率为35％～65％。
S6、取与所述金属体1大小相同的第二纤维布，逐层铺覆在气凝胶4顶面，并在所述第二纤维布上加入可陶瓷化预浸料，形成防热层5，得到试板；
在上述步骤S6中，所述防热层5的厚度为5mm～8mm，且所述厚度的压缩率为5％～40％。
且上述第二纤维布采用高硅氧布、无碱布、石英布、碳布中的至少一种，并按照平纹、斜纹、缎纹、网格中的至少一种进行第二纤维布的布置。
值得说明的是，在S6之后、S7之前，可以增加对试板进行包真空的步骤，取与所述试板尺寸相适配的吸胶材料包覆所述试板，所述吸胶材料采用分隔薄膜、无纺布、麻袋片中的一种，并装设真空管嘴，所述真空管嘴用于用于析出在高温环境下释放的小分子物质，并在后续固化完成后，试板降温后拆除吸胶材料和真空管嘴，提高固化效果和稳定性。
S7、将试板置于进行升温固化后，降温制得梯度热防护层结构试板。
在上述步骤S7中，将试样放入放入烘箱或热压罐中，并采用阶梯段升温至155℃～260℃，且每个阶梯段升温后还设有保温步骤。
实施例1
一种梯度热防护层结构试板的制备方法，进行如下步骤操作：
S1、取长100mm×100mm的平板结构状的金属体1，并对其以0.1Mpa的吹砂压力进行吹砂处理，并清理所述金属体1表面，采用酒精清理所述金属体1表面，并晾干；
S2、取6mm气凝胶4，用环氧树脂粘接在所述金属体1的吹砂面上，形成隔热层；
S3、以纵横交错的方向，裁切2.5mm厚度的气凝胶4，形成加强筋3安装位，且使加强筋3安装位内待布置的加强筋3的总体积占气凝胶4总体积的20％；
S4、取与加强筋3安装位相适配的硅橡胶2，并在所述硅橡胶2表面制孔，且所述硅橡胶2表面制孔后的孔隙率为55％，并采用型号为GD414的硅橡胶2粘接剂将所述硅橡胶2粘接在加强筋3安装位的底面上，形成应变层；
S5、取与加强筋3安装位相适配的第一纤维布，第一纤维布采用斜纹的高硅氧布和无碱布两种，逐层铺覆在加强筋3安装位内的硅橡胶2上，直至填满加强筋3安装位后，加入空心玻璃微球低密度填料的微球预浸料，形成加强筋3；
S6、取与所述金属体1大小相同的第二纤维布，第二纤维布采用网格的石英布，逐层铺覆在气凝胶4顶面，并在所述第二纤维布上加入可陶瓷化预浸料，形成防热层5，所述防热层5的厚度为6mm，且该厚度的压缩率为30％，得到试板；
S7、将试板置于烘箱中，并升温至190°进行固化，降温至40°制得梯度热防护层结构试板，打磨并清理该梯度热防护层结构试板外表面的溢胶及飞边。
实施例2
一种梯度热防护层结构试板的制备方法，进行如下步骤操作：
S1、取长150mm×150mm的平板结构状的金属体1，并对其以0.18Mpa的吹砂压力进行吹砂处理，并清理所述金属体1表面，采用酒精清理所述金属体1表面，并晾干；
S2、取7mm气凝胶4，用环氧树脂粘接在所述金属体1的吹砂面上，形成隔热层；
S3、以纵横交错的方向，裁切3mm厚度的气凝胶4，形成加强筋3安装位，且使加强筋3安装位内待布置的加强筋3的总体积占气凝胶4总体积的23％；
S4、取与加强筋3安装位相适配的硅橡胶2，并在所述硅橡胶2表面制孔，且所述硅橡胶2表面制孔后的孔隙率为40％，并采用型号为5210的硅橡胶2粘接剂将所述硅橡胶2粘接在加强筋3安装位的底面上，形成应变层；
S5、取与加强筋3安装位相适配的第一纤维布，第一纤维布采用缎纹的碳布，逐层铺覆在加强筋3安装位内的硅橡胶2上，直至填满加强筋3安装位后，加入酚醛微球低密度填料的微球预浸料，形成加强筋3；
S6、取与所述金属体1大小相同的第二纤维布，第二纤维布采用平纹的无碱布，逐层铺覆在气凝胶4顶面，并在所述第二纤维布上加入可陶瓷化预浸料，形成防热层5，所述防热层5的厚度为5.5mm，且该厚度的压缩率为23％，得到试板；
S7、将试板置于热压罐中，并升温至160°后，进行保温5分钟，再升温至200°，进行保温5分钟，然后升温至230°，进行保温5分钟，最后升温至255°，进行保温5分钟，最后降温至50°取出，完成固化，且固化过程中加压0.2MP，制得梯度热防护层结构试板。
实施例3
一种梯度热防护层结构试板的制备方法，进行如下步骤操作：
S1、取长150mm×150mm的平板结构状的金属体1，并对其以0.1Mpa的吹砂压力进行吹砂处理，并清理所述金属体1表面，采用丙酮清理所述金属体1表面，并晾干；
S2、取6.5mm气凝胶4，用环氧树脂粘接在所述金属体1的吹砂面上，形成隔热层；
S3、以纵横交错的方向，裁切3.6mm厚度的气凝胶4，形成加强筋3安装位，且使加强筋3安装位内待布置的加强筋3的总体积占气凝胶4总体积的27％；
S4、取与加强筋3安装位相适配的硅橡胶2，并在所述硅橡胶2表面制孔，且所述硅橡胶2表面制孔后的孔隙率为47％，并采用型号为5210的硅橡胶2粘接剂将所述硅橡胶2粘接在加强筋3安装位的底面上，形成应变层；
S5、取与加强筋3安装位相适配的第一纤维布，第一纤维布采用缎纹的高硅氧布，逐层铺覆在加强筋3安装位内的硅橡胶2上，直至填满加强筋3安装位后，加入酚醛微球低密度填料的微球预浸料，形成加强筋3；
S6、取与所述金属体1大小相同的第二纤维布，第二纤维布采用平纹的石英布，逐层铺覆在气凝胶4顶面，并在所述第二纤维布上加入可陶瓷化预浸料，形成防热层5，所述防热层5的厚度为7mm，且该厚度的压缩率为33％，得到试板；
S7、对试板进行包真空，取与所述试板尺寸相适配的吸胶材料包覆所述试板，并装设6个真空管嘴，且该真空管嘴两端均设在该分隔薄膜两侧，将包真空的试板置于热压罐中，并升温至158°后，进行保温3分钟，再升温至188°，进行保温4分钟，然后升温至210°，进行保温4分钟，最后升温至240°，进行保温4分钟，最后降温至55°取出，完成固化，且固化过程中加压0.3MP，等待试板降温至50°后拆除分隔薄膜和真空管嘴，制得梯度热防护层结构试板。
打磨并清理该梯度热防护层结构试板外表面的溢胶及飞边。
应当理解，术语第一、第二等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。尽管本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种单元，这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元，并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
应当理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
应当理解，在本发明的描述中，术语“上”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系，是该公开产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时，指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性，并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
在下面的描述中提供了特定的细节，以便于对示例实施例的完全理解。然而，本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种梯度热防护层结构试板，其特征在于，其包括：
金属体(1)；
防热层(5)；
隔热层，所述隔热层设于所述金属体(1)与所述防热层(5)之间，所述隔热层包括设于所述金属体(1)上的气凝胶(4)，且所述气凝胶(4)上分布有交错的安装位，且所述安装位内设有加强筋(3)；
应变层，所述应变层包括设于所述安装位内的硅橡胶(2)。
2.一种如权利要求1所述梯度热防护层结构试板的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、取金属体(1)；
S2、取气凝胶(4)，并粘接在所述金属体(1)的表面上，形成隔热层；
S3、以纵横交错的方向，裁切气凝胶(4)，形成加强筋(3)安装位，取硅橡胶(2)，并将所述硅橡胶(2)粘接在安装位内，形成应变层；
S4、取与安装位相适配的第一纤维布，逐层铺覆在加强筋(3)安装位内的硅橡胶(2)上，直至填满加强筋(3)安装位后加入微球预浸料，形成加强筋(3)；
S5、取与所述金属体(1)大小相同的第二纤维布，逐层铺覆在气凝胶(4)顶面，并在所述第二纤维布上加入可陶瓷化预浸料，形成防热层，得到试板；
S6、将试板进行升温固化后，降温制得梯度热防护层结构试板。
3.如权利要求2所述梯度热防护层结构试板的制备方法，其特征在于：在S1步骤后，对金属体(1)进行吹砂处理，且吹砂压力不大于0.2Mpa，并在吹砂处理后，采用酒精或丙酮清理所述金属体(1)表面，并晾干。
4.如权利要求2所述梯度热防护层结构试板的制备方法，其特征在于：在S2中，气凝胶(4)的厚度为5mm～8mm，所述气凝胶(4)与所述金属体(1)之间采用硅橡胶粘接剂、环氧树脂和酚醛预浸料中的一种粘接。
5.如权利要求2所述梯度热防护层结构试板的制备方法，其特征在于：第一纤维布与第二纤维布均采用高硅氧布、无碱布、石英布、碳布中的至少一种。
6.如权利要求2所述梯度热防护层结构试板的制备方法，其特征在于：在S3中，取硅橡胶(2)后，在所述硅橡胶(2)表面制孔，且所述硅橡胶(2)表面制孔后的孔隙率为35％～65％，且所述硅橡胶(2)采用硅橡胶粘接剂粘接在安装位内。
7.如权利要求2所述梯度热防护层结构试板的制备方法，其特征在于：在S5中，加强筋(3)的总体积占气凝胶(4)总体积的10％～30％。
8.如权利要求2所述梯度热防护层结构试板的制备方法，其特征在于：在S6中，所述防热层的厚度为5mm～8mm，且所述厚度的压缩率为5％～40％。
9.如权利要求2所述梯度热防护层结构试板的制备方法，其特征在于：在S6之后、S7之前，对试板进行包真空，取与所述试板尺寸相适配的吸胶材料包覆所述试板，并装设真空管嘴，所述真空管嘴用于析出在高温环境下释放的小分子物质，并在S7中，试板降温后拆除吸胶材料和真空管嘴。
10.如权利要求2所述梯度热防护层结构试板的制备方法，其特征在于：在S7中，将试样放入烘箱或热压罐中，并采用阶梯段升温至155℃～260℃，且每个阶梯段升温后还设有保温步骤。
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