CN115570853A - 一种多功能隔热材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多功能隔热材料及其制备方法，该多功能隔热材料包括刚性隔热材料、柔性隔热材料和纤维布；所述柔性隔热材料位于所述刚性隔热材料的表面，所述纤维布用于包裹所述柔性隔热材料和所述刚性隔热材料；所述刚性隔热材料上设有穿孔结构，纤维纱线通过所述穿孔结构将所述柔性隔热材料和所述刚性隔热材料缝合固定在一起。本发明中制备得到的多功能隔热材料不仅具有较低的导热系数，而且具有较好的压缩性能，使得隔热材料能够在复杂空间隔热时，不仅能够具有较好的装配性能，而且能够对构件之间的空隙进行动态调整，进而保证隔热材料充分的发挥隔热性能。

Description

一种多功能隔热材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及隔热材料技术领域，特别涉及一种多功能隔热材料及其制备方法。
背景技术
当航空航天飞行器在大气层中飞行时，由于剧烈的气动加热，其外表面产生大量的热量会穿过飞行器外的防热层向舱体内进行传递，使得舱体内部温度升高，进而威胁舱体结构及舱内设备安全，因此，飞行器外的防热层与舱体之间、各舱体模块之间以及舱体与舱体内设备之间一般需要设置隔热层来阻止热量的传递。
气凝胶因其具备高效的隔热性能，在航天飞行器的热防护系统中具有极大的应用前景，然而，目前常用的气凝胶隔热材料功能较为单一，装配适应性较差，对飞行器大型复杂空间的隔热防护性能差，鉴于此，有必要研究一种新型的多功能隔热材料。
发明内容
本发明提供了一种多功能隔热材料及其制备方法，该隔热材料不仅具有较好的隔热性能，而且具有较好的压缩性能，与飞行器隔热空间的装配适应性较好，能够应用于大型复杂空间的隔热防护。
第一方面，本发明提供了一种多功能隔热材料，该多功能隔热材料包括刚性隔热材料、柔性隔热材料和纤维布；所述柔性隔热材料位于所述刚性隔热材料的表面，所述纤维布用于包裹所述柔性隔热材料和所述刚性隔热材料；所述刚性隔热材料上设有穿孔结构，纤维纱线通过所述穿孔结构将所述柔性隔热材料和所述刚性隔热材料缝合固定在一起。
优选地，所述刚性隔热材料为气凝胶复合材料；所述柔性隔热材料为柔性纤维毡或柔性纤维毯；所述柔性隔热材料的面积不小于所述刚性隔热材料的面积。
更为优选地，所述柔性隔热材料为棉毡、针刺毡或纤维毯中的至少一种；
所述柔性隔热材料的密度为0.1～0.14g/cm3。
优选地，所述刚性隔热材料是由纤维预制体浸渍于溶胶前驱体中，经老化、置换和干燥后制备得到。
更为优选地，所述纤维预制体的成型方式为针刺成型；所述纤维预制体的密度优选为0.08～0.15g/cm3。
更为优选地，所述纤维预制体由高硅氧纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、氧化铝纤维或莫来石纤维中的至少一种成型得到。
优选地，所述溶胶前驱体包括硅溶胶和催化剂；所述催化剂为盐酸、氨水或氟化铵中的至少一种。
更为优选地，所述硅溶胶中二氧化硅的含量为5～40wt％。
优选地，所述刚性隔热材料的厚度为5～25mm；所述柔性隔热材料的厚度为5～15mm；
所述纤维布的面密度为90～400g/m2；所述纤维布的厚度为0.1～0.3mm。
优选地，所述穿孔结构的数量不少于4个，且所述穿孔结构在所述刚性隔热材料上均匀分布。
更为优选地，所述穿孔结构在所述刚性隔热材料的边缘位置等比例分布。
更为优选地，所述穿孔结构的孔径为1～2mm。
更为优选地，所述柔性隔热材料与所述刚性隔热材料的至少一面相接。
本发明第二方面提供了一种上述第一方面所述的多功能隔热材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
(1)制备刚性隔热材料和柔性隔热材料；在所述刚性隔热材料上设置穿孔结构；
(2)将纤维纱线通过所述穿孔结构将所述柔性隔热材料和所述刚性隔热材料缝合固定在一起，得到复合隔热材料；
(3)采用纤维布对所述复合隔热材料进行包裹，得到所述多功能隔热材料。
优选地，在步骤(3)中，采用纤维布对所述复合隔热材料进行包裹后，还包括采用纤维纱线进行缝合的步骤。
优选地，所述纤维纱线为石英纤维纱线、莫来石纤维纱线或氧化铝纤维纱线中的至少一种。
更为优选地，所述纤维纱线的线密度为150～250tex；步骤(3)中，所述缝合的间距为10～30mm。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
(1)本发明在刚性隔热材料表面固定柔性隔热材料，刚性的气凝胶复合材料具有较好的隔热性能且强度较好，柔性隔热材料的隔热性能较差，但其强度较低具有较好的压缩性能，本发明通过穿孔缝合的方式将二者固定在一起，二者能够取长补短，充分发挥各自的优势，从而使得本发明中制备得到的隔热材料不仅具有优异的隔热性能，而且能够根据热防护的空间间隙进行动态调整，能够应用于大型复杂型面的空间隔热；
(2)本发明中的隔热材料内部为强度较大的气凝胶材料，外部为压缩性较好的柔性纤维毡或纤维毯，本发明创造性的将二者进行结合，在进一步保证隔热材料具有较好的隔热性能的基础之上，不仅使得隔热材料在进行热防护时具有较好的装配性，而且能够根据型面的空间结构的空隙进行动态调整；
(3)本发明中的制备方法简单，适合大规模工业化生产，且隔热材料的材质轻，密度仅为0.15～0.35g/cm3，耐温温度高达1200℃，尤其在航空航天复杂型面活动空间具有极大的应用前景。
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。
本发明提供了一种多功能隔热材料，该多功能隔热材料包括刚性隔热材料、柔性隔热材料和纤维布；所述柔性隔热材料位于所述刚性隔热材料的表面，所述纤维布用于包裹所述柔性隔热材料和所述刚性隔热材料；所述刚性隔热材料上设有穿孔结构，纤维纱线通过所述穿孔结构将所述柔性隔热材料和所述刚性隔热材料缝合固定在一起。
目前，隔热材料一般大多注重于对隔热材料的隔热性能进行研究，尽管能够使得隔热材料的隔热性能得到大幅度提升，然而本发明人发现，现有技术中的隔热材料的功能性较为单一，将其应用于航空航天飞行器的内部空间进行隔热时，因隔热材料无法兼具良好的优异的装配性以及动态调整性，最终导致隔热材料无法充分发挥其隔热性能，从而起到热防护效果；因此，本发明人创造性的将刚性隔热材料和柔性隔热材料通过穿孔结构进行固定，刚性材料具有较好的隔热性能，以及在装配时较为方便，但将其用于大型复合空间隔热防护时的适应性较差，虽然柔性隔热材料的隔热性能和强度相对较差，但将刚性隔热材料和柔性隔热材料进行结合后，能够取长补短，不仅能够使得复合后的隔热材料具有较好的装配性，而且能够对航天飞行器内部空间的间隙进行动态调整，从而使得隔热材料充分发挥其隔热性能，在1200℃条件下仍然具有优异的隔热性能。
根据一些优选的实施方式，所述刚性隔热材料为气凝胶复合材料；所述柔性隔热材料为柔性纤维毡或柔性纤维毯；所述柔性隔热材料的面积不小于所述刚性隔热材料的面积；本发明采用气凝胶复合材料作为刚性隔热材料，该隔热材料具有优异的隔热性能，并且具有一定的强度，使得隔热材料具有一定的维形性，在航空航天飞行器隔热空间进行隔热时能够使得隔热材料的装配性较好，但其空间适应性较差；现有技术中通常为了追求隔热材料的较高的隔热性能，一般会将隔热性能较好的材料进行结合，尽管能够提升隔热材料的隔热性能，但将其应用于航空航天飞行器空间进行隔热时无法使其隔热性能得到充分发挥，本发明人通过大量的创造性劳动，将隔热性能相对较差的柔性隔热材料与隔热性能较好的刚性隔热材料进行结合，本发明中的柔性隔热材料优选为柔性纤维毡或纤维毯，纤维毡或纤维毯的强度较低，但具有较好的压缩性能，并通过对柔性隔热材料的参数进行调整，在保证柔性隔热材料具有较好的压缩性能的基础之上，尽可能降低柔性隔热材料的导热性能，从而使得最终的隔热材料具有较好的装配性和动态调整性，使其最大程度发挥隔热材料的隔热性能。
根据一些优选的实施方式，所述柔性隔热材料为棉毡、针刺毡或纤维毯中的至少一种；需要说明的是，本发明中的柔性隔热材料由莫来石纤维、石英纤维、高硅氧纤维、硅酸铝纤维或氧化铝纤维中的至少一种通过针刺成型或湿法成型得到；优选地，柔性隔热材料的密度主要影响隔热材料的隔热性能和压缩性能，本发明中所述柔性隔热材料的密度为0.1～0.14g/cm3(例如，可以为0.1g/cm3、0.11g/cm3、0.12g/cm3、0.13g/cm3或0.140.14g/cm3)；在本发明中，若柔性隔热材料的密度较低，则其结构较为疏松，柔性隔热材料易发生侧面漏热现象，从而隔热性能较差，此外由于密度较低时材料较为柔软，会对最终隔热材料的压缩性能产生不利影响；若柔性隔热材料的密度较高，同样会使得柔性隔热材料的隔热性能变差，此外密度过大使得材料太过致密，压缩困难，压缩性能变差，柔性隔热材料的密度太高与太低，均会影响柔性材料和刚性材料的结合，不利于使二者充分发挥作用，进而对最终隔热材料的综合性能产生不利影响。
根据一些优选的实施方式，所述刚性隔热材料是由纤维预制体浸渍于溶胶前驱体中，经老化、置换和干燥后制备得到；在本发明中，刚性隔热材料的制备具体可以采用如下方法，例如，首先将纤维预制体裁剪至目标尺寸，并将其置于成型模具中，通过压力注胶将溶胶前驱体注入模具中，对纤维预制体进行浸渍5～20min，得到浸渍体，本发明中优选为采用常温压力浸渍方式对纤维预制体进行浸渍；之后将浸渍体在室温(25～28℃)下进行老化12～48h后，将其置于溶剂(例如，质量浓度为75％的乙醇溶液)中进行置换2～4次，其中单次置换的时间为5～10d；置换完成后将其置于二氧化碳介质中进行超临界干燥，最后得到刚性的气凝胶复合材料。
根据一些优选的实施方式，所述纤维预制体的成型方式为针刺成型；为了保证刚性隔热材料的综合性能较好，本发明中所述纤维预制体的密度优选优选为0.08～0.15g/cm3(例如，可以为0.08g/cm3、0.09g/cm3、0.10g/cm3、0.11g/cm3、0.12g/cm3、0.13g/cm3、0.14g/cm3或0.15g/cm3)；当纤维预制体的密度较大时，不仅会对刚性隔热材料的导热系数产生不利影响，而且不利于形成轻质的隔热材料；当纤维预制体的密度较低时，则会导致刚性隔热材料的力学性能较差，在进行热防护过程中，多功能隔热材料内部易发生破裂，从而影响隔热性能。
根据一些更为优选的实施方式，本发明中所述纤维预制体由高硅氧纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、氧化铝纤维或莫来石纤维中的至少一种成型得到，本发明中，纤维预制体优选为采用上述纤维中的至少一种通过针刺成型得到，例如，可以成型为针刺毡或纤维毯等形式。
根据一些优选的实施方式，在制备刚性隔热材料时，首先采用模具压力注胶的方式将溶胶前驱体对编制成型的纤维预制体进行浸渍，得到浸渍体；其中，所述溶胶前驱体优选为包括硅溶胶和催化剂；其中硅溶胶和催化剂质量之比为100：(2～10)；所述催化剂为盐酸、氨水或氟化铵中的至少一种；以硅溶胶为溶胶前驱体的主要成分，能够保证制备得到的气凝胶结构粗壮，力学性能较好，且具有较好的耐温性能；本发明中，为了保证制备得到的气凝胶隔热材料具有较好的隔热性能和力学性能，所述硅溶胶中二氧化硅的含量优选为5～40wt％(例如，可以为5wt％、10wt％、15wt％、20wt％、25wt％、30wt％、35wt％或40wt％)，更为优选地，所述硅溶胶中二氧化硅的含量为20～35wt％；需要说明的是，本发明中的百分比均是以质量百分比表示；在本发明中，当硅溶胶中二氧化硅的含量较低时，则会使得刚性隔热材料的隔热性能和力学性能较差，但当硅溶胶中二氧化硅的含量超过一定的范围之后，继续增大同样会降低刚性隔热材料的隔热性能，并会导致刚性隔热材料的密度较大，不利于得到轻质的多功能隔热材料，同时会导致刚性隔热材料与柔性材料进行结合时，易发生掉粉现象。
根据一些优选的实施方式，本发明中所述刚性隔热材料通过模具成型或者通过模具成型后再进行机械加工的方式获得，更为优选地，所述刚性隔热材料的厚度为5～25mm(例如，可以为5mm、10mm、15mm、20mm或25mm)；所述柔性隔热材料的厚度为5～15mm(例如，可以为5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、12mm、13mm或15mm)；本发明中通过对刚性隔热材料和柔性隔热材料的厚度进一步限定，能够保证制备得到多功能隔热材料具有较低的导热系数的基础之上，能够兼具优异的装配性和动态调整性；若刚性隔热材料和柔性隔热材料的厚度低于或高于本发明中的范围时，不仅会使得刚性隔热材料和柔性隔热材料无法更好的发挥协同配合作用，使得最终制备得到的隔热材料的综合性能变差，而且也会增加二者结合的难度；同时需要说明的是，在本发明中，刚性隔热材料和柔性隔热材料的厚度比例优选为(5～25)：(5～15)，在实际应用过程中，可以根据使用的需求对刚性隔热材料和柔性隔热材料的厚度比例进行选择调整，例如，当飞行器空间结构较为复杂，对隔热材料的可压缩性能要求较高时，刚性隔热材料和柔性隔热材料的厚度比例优选为(5～15)：(10～15)，该比例下能够使得隔热材料对飞行器构件间隙的动态调整，从而使其充分发挥隔热性能；例如，当飞行器空间结构较为简单，对隔热材料的隔热性能要求较高时，刚性材料和柔性材料的厚度比例优选为(15～25)：(5～10),该比例下能够使得隔热材料的装配性较高，能够对飞行器构件间隙进行微调，并且不易发生漏热风险，隔热性能较好。
根据一些优选的实施方式，所述纤维布的面密度为90～400g/m2(例如，可以为90g/m2、100g/m2、150g/m2、200g/m2、250g/m2、300g/m2、350g/m2或400g/m2)；所述纤维布的厚度为0.1～0.3mm(例如，可以为0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm或0.3mm)；将刚性隔热材料和柔性隔热材料进行固定后，为了进一步提高二者的牢固性，使得二者在使用过程中不易发生分离，同时对隔热材料产生磨损，本发明中还采用一定参数的纤维布对刚性隔热材料和柔性隔热材料进行包裹，该纤维布不仅具有一定的隔热性能和力学强度，而且较为柔软，能够将刚性隔热材料和柔性隔热材料更好的固定在一起，防止复合材料在使用过程中发生错位或掉粉现象；同时需要说明的是，在本发明中，制备纤维布的纤维纱线的线密度为30～50tex(例如可以为30、35、40、45或50tex)，纤维纱线的捻度为50～80tex/m(例如可以为50、55、60、65、70、75或80tex/m)；制备纤维布时，采用的纤维纱线的线密度越大，制得的纤维布厚度越大，同时在一定范围内，纤维纱线的捻度越大，纱线强力越大，制备得到的纤维布的力学强度也较好，但当其超过一定的范围时，会降低纤维布的柔软性，本发明中可以通过调节纤维纱线的线密度和/或捻度从而制备得到上述范围内不同厚度、面密度、强度的纤维布。
根据一些优选的实施方式，为了在保证隔热材料具有较好的隔热性能的基础之上，同时还能够将刚性隔热材料和柔性隔热材料固定在一起，本发明中的所述穿孔结构的数量不少于4个(例如，可以为4个、5个或6个)，且所述穿孔结构在所述刚性隔热材料上均匀分布，然后采用纤维纱线将刚性隔热材料和柔性隔热材料缝合在一起；需要说明的是，本发明中的穿孔结构在刚性隔热材料上的分布需能够满足刚性隔热材料的固定需求，由于穿孔结构会在一定程度上增加刚性隔热材料漏热的风险，因此本发明中的穿孔结构的数量优选为4个；更为优选的，将穿孔结构设置在刚性隔热材料的边缘位置时，能够最大程度的避免穿孔结构对刚性隔热材料的隔热性能产生的不利影响，因此，本发明中优选为在刚性隔热材料的边缘设置穿孔结构，同时为了满足较好的固定需求，穿孔结构优选为在刚性隔热材料的边缘位置等比例分布，且穿孔结构距离边缘的位置不小于1cm；例如，当刚性隔热材料为正方形或长方形时，可以在刚性隔热材料的四个角的位置进行打孔，当刚性隔热材料为圆形时，可以在刚性隔热材料的边缘位置均匀打孔，以将刚性隔热材料和柔性隔热材料进行固定；同时，在本发明中，根据一些优选的实施方式，所述穿孔结构的孔径为1～2mm(例如，可以为1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm或2mm)，若穿孔结构的孔径过大，不仅会对刚性隔热材料的隔热性能产生不利影响，而且会导致刚性隔热材料和柔性隔热材料之间的固定效果变差，若穿孔结构的孔径过小，不利于纤维纱线进行穿孔缝合，使得可操作性较差；需要说明的是，本发明中穿孔结构具体可以采用数控机床进行加工得到。
根据一些更为优选的实施方式，所述柔性隔热材料与所述刚性隔热材料的至少一面相接，例如，可以将柔性隔热材料放置于刚性隔热材料的一面，采用纤维纱线进行穿孔缝合的方式将刚性隔热材料和柔性隔热材料固定在一起，例如，也可以将两个柔性隔热材料分别放置在刚性隔热材料的上下两面，并采用纤维纱线进行穿孔缝合固定；再例如，也可以采用一个面积较大的柔性隔热材料对刚性隔热材料进行包裹，之后进行纤维纱线缝合固定，此时，柔性隔热材料的面积略大于刚性隔热材料的面积的2倍；在本发明中，可以根据使用过程中对多功能隔热材料综合性能的实际需求，从而对柔性隔热材料的放置方式进行选择。
本发明还提供了一种上述第一方面所述的多功能隔热材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
(1)制备刚性隔热材料和柔性隔热材料；在所述刚性隔热材料上设置穿孔结构；例如，可以采用数控机床在刚性隔热材料上进行打孔；
(2)采用纤维纱线通过所述穿孔结构将所述柔性隔热材料和所述刚性隔热材料缝合固定在一起，得到复合隔热材料；
(3)采用纤维布对所述复合隔热材料进行包裹，得到所述多功能隔热材料。
根据一些优选的实施方式，在步骤(3)中，为了进一步提高复合材料之间的固定效果，并防止复合隔热材料发生掉粉现象，本发明在采用纤维布对所述复合隔热材料进行包裹后，还包括采用纤维纱线进行缝合的步骤；在本发明中，刚性隔热材料和柔性隔热材料进行固定时和纤维布进行缝合时所采用的所述纤维纱线均为石英纤维纱线、莫来石纤维纱线或氧化铝纤维纱线中的至少一种；根据一些优选的实施方式，所述纤维纱线的线密度150～250tex(例如，可以为150tex、160tex、180tex、200tex、220tex或250tex)；同时，在采用纤维布对复合隔热材料进行包裹缝合时，缝合的间距优选为10～30mm(例如，可以为10mm、15mm、20mm、25mm或30mm)，本发明范围内的缝合间距，可以保证缝合固定后的材料具有整体力学性能和应变适应性。
本发明中制备得到的多功能隔热材料密度较低，仅为0.15～0.35g/cm3，室温下的导热系数为0.024～0.029W/m·K，具有较好的压缩性能，10％压缩量时压缩强度为0.005～0.2MPa，最高能够耐受1200℃的温度，应用于大型复杂型面的航空航天飞行器空间隔热时，不仅具有较好的装配性，而且能够对飞行器构件的空间间隙进行动态调整，从而最大程度的发挥多功能隔热材料的隔热性能。
为了更加清楚地说明本发明的技术方案及优点，下面通过几个实施例对一种多功能隔热材料及其制备方法进行详细说明。
实施例1：
(1)制备刚性隔热材料；
采用莫来石纤维通过针刺成型的方式制备纤维预制体(莫来石纤维毡)，其中，纤维预制体的密度为0.10g/cm3，并将纤维预制体裁剪为350*350*23mm尺寸大小，将其置于380*380*20mm的模具内，通过压力注胶的方式将溶胶前驱体置于模具中对纤维预制体进行浸渍20min；溶胶前驱体包括硅溶胶和催化剂(盐酸)(质量比为100：5)，硅溶胶中二氧化硅的含量为25wt％(质量百分比)，之后依次经老化、置换和干燥后制备得到气凝胶复合材料；对气凝胶复合材料进行加工，使其厚度为15mm；
采用数控机床，分别在气凝胶复合材料的四个边缘位置进行打孔，得到4个穿孔结构；其中，穿孔结构的孔径为1.5mm；
制备柔性隔热材料；将石英纤维针刺成型为石英针刺毡，石英针刺毡的密度为0.1g/cm3，厚度为5mm；
(2)将柔性隔热材料放置于刚性隔热材料的上表面，并使用线密度为190tex的石英纤维纱线通过穿孔缝合的方式将刚性隔热材料和柔性隔热材料进行固定，得到复合隔热材料；
(3)采用厚度为0.1mm的石英纤维布对复合隔热材料进行包裹，并采用线密度为190tex的石英纤维纱线进行缝合，缝合的间距为20mm，得到多功能隔热材料。
实施例2：
(1)制备刚性隔热材料；
采用莫来石纤维通过针刺成型的方式制备纤维预制体(莫来石纤维毡)，其中，纤维预制体的密度为0.10g/cm3，并将纤维预制体裁剪为350*350*23mm尺寸大小，将其置于380*380*20mm的模具内，通过压力注胶的方式将溶胶前驱体置于模具中对纤维预制体进行浸渍20min；溶胶前驱体包括硅溶胶和催化剂(氟化铵)(质量比为100：5)，硅溶胶中二氧化硅的含量为20wt％(质量百分比)，之后依次经老化、置换和干燥后制备得到气凝胶复合材料；对气凝胶复合材料进行加工，使其厚度为15mm；
采用数控机床，分别在气凝胶复合材料的四个边缘位置进行打孔，得到4个穿孔结构；其中，穿孔结构的孔径为1mm；
制备柔性隔热材料；将莫来石纤维针刺成型为莫来石纤维针刺毡，莫来石纤维针刺毡的密度为0.1g/cm3，厚度为5mm；
(2)将柔性隔热材料放置于刚性隔热材料的上表面，并使用线密度为230tex的石英纤维纱线通过穿孔缝合的方式将刚性隔热材料和柔性隔热材料进行固定，得到复合隔热材料；
(3)采用厚度为0.2mm的石英纤维布对复合隔热材料进行包裹，并采用线密度为230tex的石英纤维纱线进行缝合，缝合的间距为15mm，得到多功能隔热材料。
实施例3：
(1)制备刚性隔热材料；
采用莫来石纤维通过针刺成型的方式制备纤维预制体(莫来石纤维毡)，其中，纤维预制体的密度为0.11g/cm3，并将纤维预制体裁剪为350*350*23mm尺寸大小，将其置于380*380*20mm的模具内，通过压力注胶的方式将溶胶前驱体置于模具中对纤维预制体进行浸渍20min；溶胶前驱体包括硅溶胶和催化剂(盐酸)(质量比为100：5)，硅溶胶中二氧化硅的含量为30wt％(质量百分比)，之后依次经老化、置换和干燥后制备得到气凝胶复合材料；对气凝胶复合材料进行加工，使其厚度为15mm；
采用数控机床，分别在气凝胶复合材料的四个边缘位置进行打孔，得到4个穿孔结构；其中，穿孔结构的孔径为1.6mm；
制备柔性隔热材料；将高硅氧纤维针刺成型为高硅氧纤维针刺毡，高硅氧纤维针刺毡的密度为0.12g/cm3，厚度为5mm；
(2)将柔性隔热材料放置于刚性隔热材料的上表面，并使用线密度为250tex的莫来石纤维纱线通过穿孔缝合的方式将刚性隔热材料和柔性隔热材料进行固定，得到复合隔热材料；
(3)采用厚度为0.2mm的石英纤维布对复合隔热材料进行包裹，并采用线密度为250tex的莫来石纤维纱线进行缝合，缝合的间距为20mm，得到多功能隔热材料。
实施例4：
(1)制备刚性隔热材料；
采用莫来石纤维通过针刺成型的方式制备纤维预制体(莫来石纤维毡)，其中，纤维预制体的密度为0.13g/cm3，并将纤维预制体裁剪为350*350*22mm尺寸大小，将其置于380*380*20mm的模具内，通过压力注胶的方式将溶胶前驱体置于模具中对纤维预制体进行浸渍20min；溶胶前驱体包括硅溶胶和催化剂(盐酸)(质量比为100：5)，硅溶胶中二氧化硅的含量为35wt％(质量百分比)，之后依次经老化、置换和干燥后制备得到气凝胶复合材料；对气凝胶复合材料进行加工，使其厚度为10mm；采用数控机床，分别在气凝胶复合材料的四个边缘位置进行打孔，得到4个穿孔结构；其中，穿孔结构的孔径为1mm；
制备柔性隔热材料；将石英纤维针刺成型为石英纤维针刺毡，石英纤维针刺毡的密度为0.14g/cm3，厚度为10mm；
(2)将柔性隔热材料放置于刚性隔热材料的上表面，并使用线密度为180tex的氧化铝纤维纱线通过穿孔缝合的方式将刚性隔热材料和柔性隔热材料进行固定，得到复合隔热材料；
(3)采用厚度为0.15mm的石英纤维布对复合隔热材料进行包裹，并采用线密度为180tex的莫来石纤维纱线进行缝合，缝合的间距为30mm，得到多功能隔热材料。
实施例5：
(1)制备刚性隔热材料；
采用莫来石纤维通过针刺成型的方式制备纤维预制体(莫来石纤维毡)，其中，纤维预制体的密度为0.11g/cm3，并将纤维预制体裁剪为350*350*6mm尺寸大小，将其置于380*380*5mm的模具内，通过压力注胶的方式将溶胶前驱体置于模具中对纤维预制体进行浸渍20min；溶胶前驱体包括硅溶胶和催化剂(盐酸)(质量比为100：5)，硅溶胶中二氧化硅的含量为25wt％(质量百分比)，之后依次经老化、置换和干燥后制备得到气凝胶复合材料；气凝胶复合材料的厚度为5mm；采用数控机床，分别在气凝胶复合材料的四个边缘位置进行打孔，得到4个穿孔结构；其中，穿孔结构的孔径为1.2mm；
制备柔性隔热材料；将石英纤维针刺成型为石英纤维针刺毡，石英纤维针刺毡的密度为0.15g/cm3，厚度为15mm；
(2)将柔性隔热材料放置于刚性隔热材料的上表面，并使用线密度为150tex的莫来石纤维纱线通过穿孔缝合的方式将刚性隔热材料和柔性隔热材料进行固定，得到复合隔热材料；
(3)采用厚度为0.3mm的石英纤维布对复合隔热材料进行包裹，并采用线密度为150tex的莫来石纤维纱线进行缝合，缝合的间距为25mm，得到多功能隔热材料。
实施例6：
实施例6与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中，采用石英纤维通过针刺成型的方式制备纤维预制体(石英纤维毡)，其中，纤维预制体的密度为0.10g/cm3。
实施例7：
实施例7与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(3)中，采用0.1mm的莫来石纤维布对复合隔热材料进行包裹。
实施例8：
实施例8与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中，穿孔结构在气凝胶复合材料的整个面上均匀分布，相邻穿孔结构的间隔为20mm，孔径为1.5mm。
实施例9：
实施例9与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中，穿孔结构随机分布在气凝胶复合材料上(非边缘区域)，打孔结构的数量为4个。
实施例10：
实施例10与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中，溶胶前驱体中，硅溶胶中二氧化硅的含量为50wt％。
实施例11：
实施例11与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中，刚性隔热材料的厚度为35mm，柔性隔热材料的厚度为3mm。
对比例1：
(1)制备刚性隔热材料；
采用莫来石纤维通过针刺成型的方式制备纤维预制体(莫来石纤维毡)，其中，纤维预制体的密度为0.10g/cm3，并将纤维预制体裁剪为350*350*23mm尺寸大小，将其置于380*380*20mm的模具内，通过压力注胶的方式将溶胶前驱体置于模具中对纤维预制体进行浸渍；溶胶前驱体包括硅溶胶和催化剂(盐酸)(质量比为100：5)，硅溶胶中二氧化硅的含量为20wt％(质量百分比)，之后依次经老化、置换和干燥后制备得到气凝胶复合材料；气凝胶复合材料的厚度为20mm；
(2)采用厚度为0.1mm的石英纤维布对刚性隔热材料进行包裹，并采用线密度为190tex的石英纤维纱线进行缝合，缝合的间距为20mm，得到隔热材料。
对比例2：
对比例2与对比例1基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中，采用石英纤维通过针刺成型的方式制备纤维预制体(石英纤维毡)。
对比例3：
(1)制备柔性隔热材料；将石英纤维针刺成型为石英针刺毡，石英针刺毡的密度为0.1g/cm3，厚度为20mm；
(2)采用厚度为0.1mm的石英纤维布对柔性隔热材料进行包裹，并采用线密度为190tex的石英纤维纱线进行缝合，缝合的间距为20mm，得到隔热材料。
对比例4：
对比例4与对比例3基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中，采用莫来石纤维针刺成型为莫来石纤维毡。
对比例5：
对比例5与对比例3基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中，采用高硅氧纤维针刺成型为高硅氧纤维毡。
对比例6：
对比例6与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中，将步骤(1)石英针刺毡替换为采用石英纤维编织形成的纤维织物，纤维织物的厚度为5mm，密度为1.3g/cm3。
对比例7：
(1)制备柔性气凝胶复合材料：采用莫来石纤维通过针刺成型的方式制备纤维预制体(莫来石纤维毡)，其中，纤维预制体的密度为0.10g/cm3，并将纤维预制体裁剪为350*350*17mm尺寸大小，将其置于380*380*15mm的模具内，通过压力注胶的方式将溶胶前驱体置于模具中对纤维预制体进行浸渍；溶胶前驱体为正硅酸乙酯，，之后依次经老化、置换和干燥后制备得到气凝胶复合材料；气凝胶复合材料厚度为15mm；
制备柔性隔热材料；将石英纤维针刺成型为石英针刺毡，石英针刺毡的密度为0.1g/cm3，厚度为5mm；
(2)将柔性隔热材料放置于气凝胶复合材料的上表面，并使用线密度为190tex的石英纤维纱线通过穿孔缝合的方式将气凝胶复合材料和柔性隔热材料进行固定，得到复合隔热材料；
(3)采用厚度为0.1mm的石英纤维布对复合隔热材料进行包裹，并采用线密度为190tex的石英纤维纱线进行缝合，缝合的间距为20mm，得到隔热材料。
对比例8：
(1)制备刚性隔热材料；
采用莫来石纤维通过针刺成型的方式制备纤维预制体(莫来石纤维毡)，其中，纤维预制体的密度为0.10g/cm3，并将纤维预制体裁剪为350*350*23mm尺寸大小，将其置于380*380*20mm的模具内，通过压力注胶的方式将溶胶前驱体置于模具中对纤维预制体进行浸渍；溶胶前驱体包括硅溶胶和催化剂(盐酸)(质量比为100：5)，硅溶胶中二氧化硅的含量为25wt％(质量百分比)，之后依次经老化、置换和干燥后制备得到气凝胶复合材料；对气凝胶复合材料进行加工，使其厚度为15mm；采用数控机床，分别在气凝胶复合材料的四个边缘位置进行打孔，得到4个穿孔结构；其中，穿孔结构的孔径为1.5mm；
制备柔性气凝胶复合材料：采用莫来石纤维通过针刺成型的方式制备纤维预制体(莫来石纤维毡)，其中，纤维预制体的密度为0.10g/cm3，并将纤维预制体裁剪为350*350*6mm尺寸大小，将其置于380*380*5mm的模具内，通过压力注胶的方式将溶胶前驱体置于模具中对纤维预制体进行浸渍；溶胶前驱体为正硅酸乙酯，之后依次经老化、置换和干燥后制备得到气凝胶复合材料；气凝胶复合材料厚度为5mm；
(2)将气凝胶复合材料放置于刚性隔热材料的上表面，并使用线密度为190tex的石英纤维纱线通过穿孔缝合的方式将气凝胶复合材料和柔性隔热材料进行固定，得到复合隔热材料；
(3)采用厚度为0.1mm的石英纤维布对复合隔热材料进行包裹，并采用线密度为190tex的石英纤维纱线进行缝合，缝合的间距为20mm，得到多功能隔热材料。
对比例9：
对比例9与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中，采用石英针刺毡代替气凝胶复合材料，即由两层柔性隔热材料组成复合隔热材料。
对比例10：
对比例10与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中，采用气凝胶复合材料替代石英纤维毡，即由两层刚性隔热材料组成复合隔热材料。
将实施例1至11和对比例1至10中的制备得到的隔热材料进行性能测试，测试方法具体如下，测试结果如表1所示：
密度测试：参照GB/T 6343-2009《泡沫塑料及橡胶表观密度的测定》；
10％压缩量的压缩强度测试：采用新三思微机控制电子万能试验机对实施例和对比例中的隔热材料进行压缩性能测试；
室温下热导率测试：参照GB/T 10295-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定-热流计法》。
表1
Figure BDA0003873025870000161
Figure BDA0003873025870000171
由表1可知，本发明中制备得到的隔热材料为多功能复合材料，其导热系数较低，隔热性能较好，而且将其压缩10％后具有仍然具有较好的压缩强度，因此，采用本发明中的多功能隔热材料对航天飞行器的空间进行隔热时，由于刚性的隔热材料能够提供一定的强度，使得隔热材料具有较好的装配适应性，同时柔性隔热材料赋予多功能隔热材料较好的压缩性能，使得隔热材料能够在复杂空间隔热时，能够对空隙进行动态调整，进而保证隔热材料充分的发挥隔热性能。
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 (10)

1.一种多功能隔热材料，其特征在于：包括刚性隔热材料、柔性隔热材料和纤维布；所述柔性隔热材料位于所述刚性隔热材料的表面，所述纤维布用于包裹所述柔性隔热材料和所述刚性隔热材料；所述刚性隔热材料上设有穿孔结构，纤维纱线通过所述穿孔结构将所述柔性隔热材料和所述刚性隔热材料缝合固定在一起。
2.根据权利要求1所述的多功能隔热材料，其特征在于：
所述刚性隔热材料为气凝胶复合材料；所述柔性隔热材料为柔性纤维毡或柔性纤维毯；所述柔性隔热材料的面积不小于所述刚性隔热材料的面积；
优选地，所述柔性隔热材料为棉毡、针刺毡或纤维毯中的至少一种；
更为优选地，所述柔性隔热材料的密度为0.1～0.14g/cm3。
3.根据权利要求1所述的多功能隔热材料，其特征在于：
所述刚性隔热材料是由纤维预制体浸渍于溶胶前驱体中，经老化、置换和干燥后制备得到；
优选地，所述纤维预制体的成型方式为针刺成型；所述纤维预制体的密度优选为0.08～0.15g/cm3；
更为优选地，所述纤维预制体由高硅氧纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、氧化铝纤维或莫来石纤维中的至少一种成型得到。
4.根据权利要求3所述的多功能隔热材料，其特征在于：
所述溶胶前驱体包括硅溶胶和催化剂；所述催化剂为盐酸、氨水或氟化铵中的至少一种；
优选地，所述硅溶胶中二氧化硅的含量为5～40wt％。
5.根据权利要求1所述的多功能隔热材料，其特征在于：
所述刚性隔热材料的厚度为5～25mm；所述柔性隔热材料的厚度为5～15mm；
所述纤维布的面密度为90～400g/m2；所述纤维布的厚度为0.1～0.3mm。
6.根据权利要求1所述的多功能隔热材料，其特征在于：
所述穿孔结构的数量不少于4个，且所述穿孔结构在所述刚性隔热材料上均匀分布；
优选地，所述穿孔结构在所述刚性隔热材料的边缘位置等比例分布；
更为优选地，所述穿孔结构的孔径为1～2mm。
7.根据权利要求1所述的多功能隔热材料，其特征在于：
所述柔性隔热材料与所述刚性隔热材料的至少一面相接。
8.根据权利1至7中任一项所述的多功能隔热材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)制备刚性隔热材料和柔性隔热材料；在所述刚性隔热材料上设置穿孔结构；
(2)将纤维纱线通过所述穿孔结构将所述柔性隔热材料和所述刚性隔热材料缝合固定在一起，得到复合隔热材料；
(3)采用纤维布对所述复合隔热材料进行包裹，得到所述多功能隔热材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：
在步骤(3)中，采用纤维布对所述复合隔热材料进行包裹后，还包括采用纤维纱线进行缝合的步骤。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：
所述纤维纱线为石英纤维纱线、莫来石纤维纱线或氧化铝纤维纱线中的至少一种；
优选地，所述纤维纱线的线密度为150～250tex；
更为优选地，步骤(3)中，所述缝合的间距为10～30mm。
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