CN115503309A - 一种筒体复合层材料、复合筒体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种筒体复合层材料、复合筒体及其制备方法，其包括由内而外依次布置的热疏导层、梯度隔热层和结构层；热疏导层为各向异性导热材料，沿筒体轴向热导率在200W/m·K以上，沿筒体壁厚方向热导率在1W/m·K以下；梯度隔热层沿筒体轴向的热导率呈梯度变化，筒底至筒口热导率升高。热疏导层在筒壁形成了轴向热扩散通道，防止筒体过度烧蚀；根据筒体内壁不同位置的热流密度布置不同热导率的梯度隔热层，对筒体的结构层进行隔离防热，保证了结构层较低的温度及温度分布的均匀性。本发明通过导热隔热材料的合理使用，提高了复合筒体的热管理能力和承载能力，使筒体能承受不均匀的热流冲击，达到多次重复使用的目的。

Description

一种筒体复合层材料、复合筒体及其制备方法

技术领域

本发明属于筒体隔热材料技术领域，尤其涉及一种筒体复合层材料、复合筒体及其制备方法。

背景技术

需要在贮存、运输状态进行隔热保温及使用时承受瞬时热流冲击的物品、设备常用具有隔热保温及热防护功能的复合筒体。现有技术的复合筒体一般采用两种结构形式，一种为筒体采用金属(钛、铝、钢等)内衬与纤维缠绕的复合材料结构层；另一种为在纤维缠绕筒体内壁设置隔热涂料或绝热橡胶作为热防护和隔热层。

采用第一种方案的复合筒体，虽然具有较高的抗烧蚀性和密封性，但金属材料的添加大大增加了结构重量，影响了复合筒体的使用，且由于金属内衬层的热桥效应，使复合筒体沿壁厚方向的热传导速度加快，加大了对结构层的热损伤，容易导致分层或开裂，此外，经过多次重复使用后金属材料腐蚀严重更换困难，导致该类型复合筒体不能多次使用，大大提高了使用成本。采用第二种方案，隔热涂料或绝热橡胶与基体的粘接强度较低，施工复杂，不能很好地疏导热量，使用后需及时更换。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种筒体复合层材料、复合筒体及其制备方法，以更好的疏导热量、避免对结构层的损伤，提高重复使用率。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种筒体复合层材料，所述复合层材料包括由内而外依次布置的热疏导层、梯度隔热层和结构层；

所述热疏导层为各向异性导热材料，沿筒体轴向热导率在200W/m·K以上，沿筒体壁厚方向热导率在1W/m·K以下；

所述梯度隔热层沿筒体轴向的热导率呈梯度变化，筒底至筒口热导率升高。

作为进一步的改进，所述热疏导层包括纤维和树脂，其中纤维包括中间相沥青基碳纤维和高强纤维的组合，所述中间相沥青基碳纤维沿筒体轴向布置，所述高强纤维沿筒体环向布置。

作为进一步的改进，所述中间相沥青基碳纤维和高强纤维的体积比为2:1～4:1。

作为进一步的改进，所述中间相沥青基碳纤维热导率为500～1000W/m·K。

作为进一步的改进，所述梯度隔热层包括热导率为0.005～0.03W/m·K的气凝胶针刺毡和真空灌注树脂。

作为进一步的改进，通过调节气凝胶针刺毡沿筒体轴向的体积密度，控制梯度隔热层的热导率，使筒底至筒口热导率升高。

作为进一步的改进，所述气凝胶针刺毡的体积密度为80～200kg/m³，筒底至筒口体积密度增大。

作为进一步的改进，所述复合层材料各层均由树脂基复合材料构成。

本发明还提供一种复合筒体，所述复合筒体所述的复合层材料。

本发明还提供一种复合筒体的制备方法，包括：采用预浸料热压法制备所述热疏导层，采用真空灌注法制备所述梯度隔热层，采用纤维缠绕法制备所述结构层，在各层之间依次设置胶粘剂层。

本发明通过导热隔热材料的合理使用，提高了复合筒体的热管理能力和承载能力，使筒体能承受不均匀的热流冲击，达到多次重复使用的目的。

具体来说，本发明的有益效果为：

1、采用各向异性热疏导层使复合筒体的传热具有方向性，形成沿筒体轴向的热扩散通道，而沿厚度方向的传热速度慢，在增加了防热效果的同时降低了筒体外部各层的温度，避免对结构层的损伤。

2、采用梯度隔热层适用于筒壁不同的热流分布，使结构层的温度分布更均匀，减小了复合筒体的热变形。

3、采用非金属材料组合制备的复合筒体大大减轻了结构重量，并且强度可设计。

4、本发明提供的防热承载一体化复合筒体在贮存、运输状态对筒体内部件进行隔热保温，在高温高压工作状态下对筒体进行热疏导和对筒体承载结构层进行隔热防护，具有多次重复使用的特点，提高筒体的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明一个具体实施例的筒体复合层的结构示意图。

其中：1、热疏导层；3、梯度隔热层；5、结构层；7、胶粘剂层。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

如图1，本发明的筒体复合层材料包括由内而外依次布置的热疏导层1、梯度隔热层3和结构层5。各层均由树脂基复合材料构成。各层之间依次设置胶粘剂层7。

热疏导层

热疏导层1为各向异性导热材料，沿筒体轴向热导率优选为200～400W/m·K，沿筒体壁厚方向热导率优选为0.2～1W/m·K。采用各向异性热疏导层使复合筒体的传热具有方向性，在筒壁形成沿筒体轴向的热扩散通道，而沿厚度方向的传热速度慢，使筒体工作状态下由高温高压作用产生的热流沿筒壁轴向得到疏导，以快速降低筒壁表面温度，防止筒体过度烧蚀，在增加了防热效果的同时降低了筒体外部各层的温度，保证了结构层较低的温度，避免对结构层的热损伤。

在一个具体实施例中，所述热疏导层1的厚度为0.5～2mm。

热疏导层1包括纤维和树脂，树脂含量优选为20～25wt％。

在一个具体实施例中，热疏导层1的纤维包括中间相沥青基碳纤维和高强纤维的组合，所述中间相沥青基碳纤维和高强纤维的体积比优选为2:1～4:1，所述中间相沥青基碳纤维沿筒体轴向布置，所述高强纤维沿筒体环向布置，从而形成上述的各向异性导热材料，达到所需的不同方向的热导率。所述中间相沥青基碳纤维的热导率优选为500～1000W/m·K。所述高强纤维包括高强碳纤维、高模碳纤维、石英纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维中的任意一种或几种的组合。优选所述高强纤维的0°拉伸强度大于3GPa。

在一个具体实施例中，热疏导层1的树脂包括改性酚醛树脂。

梯度隔热层

在一个具体实施例中，所述梯度隔热层的厚度为0.2～2mm。

梯度隔热层3包括气凝胶针刺毡和真空灌注树脂。在一个具体实施例中，梯度隔热层中的树脂含量为10～40wt％。

在一个具体实施例中，气凝胶针刺毡的热导率为0.005～0.03W/m·K。气凝胶包括二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、碳化硅气凝胶和硅碳氮气凝胶中的一种或几种组合。

在一个具体实施例中，真空灌注树脂包括环氧树脂和/或聚酯树脂。

梯度隔热层3根据筒体内壁不同位置的热流密度布置不同热导率的材料。筒体内壁热流分布由筒体底部至筒口逐渐降低，筒底热流密度最大，所需隔热层的导热率需设计为最低。

在一个具体实施例中，梯度隔热层3从筒底至筒口热导率逐渐升高。梯度隔热层3也可分段式设置，从筒底至筒口分成若干段，每段热导率均一，从筒底至筒口热导率逐渐升高，例如在筒底至离筒底1/3筒长的筒段处布置热导率最低的隔热层(例如0.005～0.01W/m·K)；在离筒底1/3筒长至离筒底2/3筒长的筒段处布置热导率较低的隔热层(例如0.015～0.02W/m·K)；在离筒底2/3筒长至筒口的筒段处布置热导率较高的隔热层(例如0.025～0.03W/m·K)。

气凝胶针刺毡的体积密度设置为80～200kg/m³，体积密度越大，热导率越大。可以根据要求选用不同体积密度的气凝胶针刺毡，在筒体的不同位置进行布置，使热导率梯度变化，从而产生沿梯度变化的隔热效果。

根据筒体内壁不同位置的热流密度布置不同热导率的梯度隔热层，对筒体的结构层进行隔离防热，以适应工作状态的热流冲击，适用于筒壁不同的热流分布，进一步降低结构层的温度，同时使结构层的温度分布更均匀，减小了复合筒体的热变形，保证结构的承载能力。

结构层

在一个具体实施例中，结构层5的厚度为2～20mm。

结构层5主要起承载作用，包括纤维和树脂。

在一个具体实施例中，结构层5的纤维包括高强玻璃纤维、碳纤维中的一种或组合。在一个具体实施例中，纤维的缠绕角度包括±25°、±45°、90°，缠绕角度的比例分布为±25°：±45°：90°＝(0～6):(7～3):(3～1)，以满足筒体在各工况下的强度、刚度和稳定性。(纤维排布方向：与轴向平行的纤维角度为0°，与轴向垂直的纤维角度为90°)

在一个具体实施例中，结构层的树脂为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、聚酰亚胺树脂中的任意一种或以上树脂改性物中的任意一种。

本发明复合筒体的制备方法包括：采用预浸料热压法制备热疏导层，采用真空灌注法制备梯度隔热层，采用纤维缠绕法制备结构层，在各层之间依次设置胶粘剂层。

实施例1

本实施例的筒体复合层包括由内而外依次布置的热疏导层1、梯度隔热层3和结构层5，各层之间依次设置胶粘剂层7。

热疏导层1的厚度为2mm。热疏导层1沿筒体轴向热导率为300W/m·K(测试标准：GB/T 22588-2008)，沿筒体壁厚方向热导率为0.5W/m·K(测试标准：GB/T 22588-2008)。热疏导层1的纤维中中间相沥青基碳纤维和高强纤维的体积比为4:1。中间相沥青基碳纤维采用三菱

热导率为620W/m·K。高强纤维采用高强碳纤维。热疏导层1的树脂采用改性酚醛树脂。

梯度隔热层3的厚度为1mm。选用气凝胶针刺毡的热导率为0.005～0.03W/m·K，气凝胶采用二氧化硅气凝胶。复合筒体总长为3m，在筒底至离筒底1/3筒长的筒段处布置体积密度为120kg/m³的气凝胶针刺毡(采用GB/T 10294-2008标准测试的热导率为0.01W/m·K)；在离筒底1/3筒长至离筒底2/3筒长的筒段处布置体积密度为130kg/m³的气凝胶针刺毡(采用GB/T10294-2008标准测试的热导率为0.015W/m·K)；在离筒底2/3筒长至筒口的筒段处布置体积密度为180kg/m³的气凝胶针刺毡(采用GB/T 10294-2008标准测试的热导率为0.025W/m·K)。

结构层5的厚度为5mm。结构层5的纤维采用高强玻璃纤维。纤维的缠绕角度的比例分布为±25°：±45°：90°＝3:5:2。

本实施例的复合筒体的制备方法，包括以下制备步骤：

Sl、模具制作

根据筒体结构尺寸设计并制造成型芯模。

S2、热疏导层的制备

(1)选用热疏导层相应的纤维和树脂，采用热熔法或湿法制备预浸料；

(2)然后在芯模上铺贴，沿筒体轴向铺贴高导热中间相沥青基碳纤维预浸料，沿筒体环向铺贴高强纤维预浸料；

(3)铺贴完毕后制作真空袋并抽真空，抽真空的真空压力为-0.092～-0.lMPa；

(4)热压固化制得热疏导层。固化温度为120～200℃，固化温度下的保温时间为90～180min。

S3、梯度隔热层的制备

(1)根据要求选用不同体积密度/热导率的气凝胶针刺毡进行相应尺寸剪裁；

(2)在热疏导层上方涂覆结构胶黏剂；

(3)在筒体的相应位置铺放气凝胶针刺毡，依次放置脱模布、导流网、真空袋，并在真空袋上开设真空接口和树脂注入口，抽真空至-0.092MPa以下，注入树脂，待树脂注入完毕关闭树脂注入口阀门；

(4)固化，制得热疏导层和梯度隔热层的组合层。固化为室温固化或60～120℃升温固化。

S4、结构层的制备

(1)在S2和S3步己制得的组合层上方铺覆结构胶膜；

(2)按纤维层角度的分布和厚度要求采用纤维纱缠绕制备缠绕层；

(3)进行树脂固化制得复合型筒体，固化温度为120～180℃。

对比例1

本对比例1的筒体复合层包括由内而外依次布置的纤维增强树脂基复合材料层、梯度隔热层3和结构层5，各层之间依次设置胶粘剂层7，其中梯度隔热层3、结构层5和胶粘剂层7同实施例1，仅采用普通非高导热的纤维增强树脂基复合材料层代替实施例1的热疏导层。

纤维增强树脂基复合材料层的厚度为2mm，其沿筒体轴向热导率为3W/m·K(测试标准：GB/T 22588-2008)，沿筒体壁厚方向热导率为0.4W/m·K(测试标准：GB/T 22588-2008)。纤维增强树脂基复合材料层的纤维中不含中间相沥青基碳纤维，只由高强碳纤维组成。树脂采用改性酚醛树脂。

本对比例的复合筒体的制备方法同实施例1。

对比例2

本对比例的筒体复合层包括由内而外依次布置的热疏导层1、隔热层和结构层5，各层之间依次设置胶粘剂层7。其中热疏导层1、结构层5和胶粘剂层7同实施例1，采用均匀隔热层代替实施例1的梯度隔热层。

均匀隔热层的厚度为1mm。选用气凝胶针刺毡的热导率为0.005～0.03W/m·K，气凝胶采用二氧化硅气凝胶。复合筒体总长为3m，整筒均匀布置体积密度为180kg/m³的气凝胶针刺毡(采用GB/T 10294-2008标准测试的热导率为0.025W/m·K)。

本实施例的复合筒体的制备方法同实施例1。

选取实施例1和对比例1的复合筒体进行结构层温度测试；选取实施例1和对比例2的复合筒体进行结构层温度测试和变形测试；测试过程由复合筒体结构层内部预埋的温度传感器(热电偶)和后置位移传感器进行数据采集，各实施例的传感器布置在筒体相同位置。

测试工况为不均匀热流冲击，具体如下：

筒底至离筒底1/3的筒段热流密度为500000W/m²，离筒底1/3至离筒底2/3的筒段热流密度为350000W/m²，离筒底2/3至筒口的筒段热流密度为300000W/m²，作用时间2s。

测试结果如表1：

表1

由此可见，相比对比例1和对比例2，实施例1的结构层最大温度最低，最大温差最小，变形最小。实施例1采用各向异性热疏导层使复合筒体的传热具有方向性，形成沿筒体轴向的热扩散通道，而沿厚度方向的传热速度慢，在增加了防热效果的同时降低了筒体外部各层的温度，避免对结构层的损伤。采用梯度隔热层适用于筒壁不同的热流分布，使结构层的温度分布更均匀，减小了复合筒体的热变形。

此外，本实施例采用非金属材料组合制备的复合筒体大大减轻了结构重量，并且强度可设计。

本实施例提供的防热承载一体化复合筒体在贮存、运输状态对筒体内部件进行隔热保温，在高温高压工作状态下对筒体进行热疏导和对筒体承载结构层进行隔热防护，具有多次重复使用的特点，提高筒体的使用寿命。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种筒体复合层材料，其特征在于，所述复合层材料包括由内而外依次布置的热疏导层、梯度隔热层和结构层；

所述热疏导层为各向异性导热材料，沿筒体轴向热导率在200W/m·K以上，沿筒体壁厚方向热导率在1W/m·K以下；

所述梯度隔热层沿筒体轴向的热导率呈梯度变化，筒底至筒口热导率升高。

2.根据权利要求1所述的筒体复合层材料，其特征在于，所述热疏导层包括纤维和树脂，其中纤维包括中间相沥青基碳纤维和高强纤维的组合，所述中间相沥青基碳纤维沿筒体轴向布置，所述高强纤维沿筒体环向布置。

3.根据权利要求2所述的筒体复合层材料，其特征在于，所述中间相沥青基碳纤维和高强纤维的体积比为2:1～4:1。

4.根据权利要求2所述的筒体复合层材料，其特征在于，所述中间相沥青基碳纤维热导率为500～1000W/m·K。

5.根据权利要求1所述的筒体复合层材料，其特征在于，所述梯度隔热层包括气凝胶针刺毡和真空灌注树脂，所述气凝胶针刺毡的热导率为0.005～0.03W/m·K。

6.根据权利要求5所述的筒体复合层材料，其特征在于，通过调节气凝胶针刺毡沿筒体轴向的体积密度，控制梯度隔热层的热导率，使筒底至筒口热导率升高。

7.根据权利要求6所述的筒体复合层材料，其特征在于，所述气凝胶针刺毡的体积密度为80～200kg/m³，筒底至筒口体积密度增大。

8.根据权利要求1所述的筒体复合层材料，其特征在于，所述复合层材料各层均由树脂基复合材料构成。

9.一种复合筒体，其特征在于，所述复合筒体采用权利要求1～8任一项所述的复合层材料。

10.一种复合筒体的制备方法，其特征在于，包括：采用预浸料热压法制备所述热疏导层，采用真空灌注法制备所述梯度隔热层，采用纤维缠绕法制备所述结构层，在各层之间依次设置胶粘剂层。

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