CN116005491A - 一种耐高温、柔性宽频吸声隔热材料及其制备方法 - Google Patents

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张博
周粮
田响宇
邱玉冰
龙海依
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Abstract

本发明涉及一种耐高温、柔性宽频吸声隔热材料,包括多层按照纤维直径依次递减/递增叠设的纤维层,至少一个纤维层中的纤维为纳米级纤维。本发明还涉及一种耐高温、柔性宽频吸声隔热材料的制备方法。该耐高温、柔性宽频吸声隔热材料及其制备方法的目的是解决吸声隔热材料无法同时满足耐高温、宽频吸声及高效隔热的问题。

Description

一种耐高温、柔性宽频吸声隔热材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及特种功能材料技术领域,具体涉及一种耐高温、柔性宽频吸声隔热材料及其制备方法。
背景技术
在航天器发射和飞行、喷气式飞机起飞和飞行的过程中,噪声强度可达到150~160分贝,当噪声场超过120分贝就能对电子元件、器件和对噪声及振动敏感的部件造成影响。主要影响包括:①电子管会产生电噪声,输出虚假信号;②继电器会抖动或断路,使电路不稳定;③加速度计的某些频率输出会增强;④引线会脱焊;⑤微调电容器会失调;⑥印刷电路板或板的连接部分会接触不良或断裂。除了对于电子元件会产生影响外,当噪声强度进一步提升,作用于火箭、宇航器等机械结构时,由于受声频交变负载的反复作用,会使材料产生疲劳现象而断裂。人员长期在强噪声环境下会出现失眠、耳鸣、头晕等不适症状,严重的更会危及生命。因此,噪声问题已经成为航空航天领域亟待解决的关键技术。吸声材料是解决飞行器噪声问题的关键,但随着飞行器飞行速度不断提升,飞行器一般表面温度可达到800℃~1000℃,而舱体设备区域温度普遍要求在185℃以下,要求吸声材料同时具有耐高温、高效隔热功能。
目前,传统吸声材料包括有机泡沫类、超细玻璃棉类等材料,材料使用温度均在350℃以下,无法满足耐高温、高效隔热需求。针对耐高温吸声、隔热多功能材料研究较少,专利CN108085872A公开了一种耐高温吸声纤维膜及制备方法,制备的聚酰亚胺纳米纤维尺寸均一,中空结构完整,纤维膜具有较大的孔隙率,具有利于声波耗散的轻质多孔中空结构和压电粒子产生的压电效应,吸声性能较好,相对传统材料具有良好的耐高温性能和力学性能,但无法满足1000℃以上的使用条件,且并未关注其隔热性能。专利CN202210213909.X公开了一种超低热导率纳米纤维气凝胶复合材料及其制备方法,通过微纳分级孔隙内嵌纳米孔隙获得超低热导率,纤维交联网络结构提高气凝胶复合材料压缩强度、压缩模量等力学性能。专利CN113831581A公开了一种高弹性抗辐射纳米纤维气凝胶材料及其制备方法,制得的材料具有高弹性的同时,具有较好的抗辐射性能、耐温性能以及高温隔热性能。以上方法中,纳米纤维多以单一纤维或纤维膜的形式存在,且并未关注材料的吸声性能。
因此,发明人提供了一种耐高温、柔性宽频吸声隔热材料及其制备方法。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种耐高温、柔性宽频吸声隔热材料及其制备方法,解决了吸声隔热材料无法同时满足耐高温、宽频吸声及高效隔热的技术问题。
(2)技术方案
本发明提供了一种耐高温、柔性宽频吸声隔热材料,包括多层按照纤维直径依次递减/递增叠设的纤维层,至少一个纤维层中的纤维为纳米级纤维。
进一步地,每个纤维层的厚度为0.1mm~20mm。
进一步地,每个所述纤维层均包括莫来石、氧化硅、石英、高硅氧、玄武岩、碳纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、硅酸铝中的至少一种。
进一步地,每个纤维层的纤维直径均小于或等于10μm。
本发明还提供了一种耐高温、柔性宽频吸声隔热材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、将除最大直径纤维外的剩余不同直径的纤维分别浸泡在去离子水中;
步骤2、采用超高速分散,将所述剩余不同直径的纤维均匀分散在水溶液中;
步骤3、取最大直径的纤维预制体放于底部镂空模具中;
步骤4、将纤维分散液按照直径梯度依次递减的顺序逐层均匀倾倒于所述最大直径的纤维预制体的表面,并进行真空抽滤,将每层的纤维均部分渗入所述最大直径纤维预制体的内部,形成多尺度纤维梯度复合材料;
步骤5、对所述多尺度纤维梯度复合材料进行热处理,形成耐高温、柔性宽频吸声隔热材料。
进一步地,步骤2中,超高速分散的转速为100rpm~20000rpm。
进一步地,步骤4中,真空抽滤的压力为0.09MPa~0.01MPa。
进一步地,步骤5中,热处理的温度为120℃~1600℃。
进一步地,步骤5中,热处理的时间为1h~500h。
进一步地,热处理的气氛为空气、真空、氩气及氮气中的一种。
(3)有益效果
综上,本发明通过将真空浸渗方式直接将不同尺度纤维进行梯度复合,实现了宽频吸声功能,同时可通过对不同纤维尺度、结构组成进行设计,实现不同频率下特定吸收效果;同时通过纤维之间梯度层形成过度区域,保障材料的良好柔韧性;通过选取耐高温纤维作为整体材料受热面;通过纳米级纤维降低热传导效应,提升整体材料隔热性能,能够实现耐1000℃高温、宽频吸声、高效隔热多重功能,能够解决高速飞行器吸声、隔热等迫切需求,对特种功能材料技术发展具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面所描述的附图仅仅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是本发明实施例提供的一种耐高温、柔性宽频吸声隔热材料的结构示意图。
图中:
1-第一纤维层;2-第二纤维层;3-第三纤维层;4-第四纤维层;5-浸渗区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理,但不能用来限制本发明的范围,即本发明不限于所描述的实施例,在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是本发明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设备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。
图1是本发明实施例提供的一种耐高温、柔性宽频吸声隔热材料的结构示意图,该吸声隔热材料可以包括多层按照纤维直径依次递减/递增叠设的纤维层,至少一个纤维层中的纤维为纳米级纤维。
在上述实施方式中,以四层纤维层为例,第四纤维层4的直径为30nm~100nm、第三纤维层3的直径为100nm~500nm、第二纤维层2的直径为500nm~1μm、第一纤维层1的直径为1μm~10μm,各个纤维层之间形成浸渗区5。各层材料质量占总质量比例可以为0%~100%,对此不做具体限定。
通过对不同纤维尺度、结构组成进行设计,实现不同频率下特定吸收效果;同时通过纤维之间梯度层形成过度区域,保障材料的良好柔韧性;通过选取耐高温纤维作为整体材料受热面;通过纳米级纤维降低热传导效应,提升整体材料隔热性能,能够实现耐1000℃高温、宽频吸声、高效隔热多重功能。
作为一种可选的实施方式,每个纤维层的厚度为0.1mm~20mm。其中,此类材料厚度的选取一般是使用场景实际需要,综合隔热性能需求和耐热需求(冷面要求温度)。
作为一种可选的实施方式,每个纤维层均包括莫来石、氧化硅、石英、高硅氧、玄武岩、碳纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、硅酸铝中的至少一种。
作为一种可选的实施方式,每个纤维层的纤维直径均小于或等于10μm。其中,当纤维层内的纤维直径过大时会导致纤维隔热效果变差。
本发明实施例还提供了一种耐高温、柔性宽频吸声隔热材料的制备方法,可以包括以下步骤:
步骤1、将除最大直径纤维外的剩余不同直径的纤维分别浸泡在去离子水中;
步骤2、采用超高速分散,将剩余不同直径的纤维均匀分散在水溶液中;
步骤3、取最大直径的纤维预制体放于底部镂空模具中;
步骤4、将纤维分散液按照直径梯度依次递减的顺序逐层均匀倾倒于最大直径的纤维预制体的表面,并进行真空抽滤,将每层的纤维均部分渗入最大直径纤维预制体的内部,形成多尺度纤维梯度复合材料;
步骤5、对多尺度纤维梯度复合材料进行热处理,形成耐高温、柔性宽频吸声隔热材料。
作为一种可选的实施方式,步骤2中,超高速分散的转速为100rpm~20000rpm。其中,通过试验可知,当超高速分散的转速在此范围内,其效果是比较好的。
作为一种可选的实施方式,步骤4中,真空抽滤的压力为0.09MPa~0.01MPa。其中,其中,通过试验可知,当超高速分散的转速在此范围内,其效果是比较好的。
作为一种可选的实施方式,步骤5中,热处理的温度为120℃~1600℃。其中,其中,通过试验可知,当超高速分散的转速在此范围内,其效果是比较好的。
作为一种可选的实施方式,步骤5中,热处理的时间为1h~500h。其中,其中,通过试验可知,当超高速分散的转速在此范围内,其效果是比较好的。
作为一种可选的实施方式,热处理的气氛为空气、真空、氩气及氮气中的一种。其中,通过试验可知,当超高速分散的转速在此范围内,其效果是比较好的。
实施例1
(1)将100g平均直径50nm的SiO2纳米纤维、50g平均直径150nm的莫来石纤维、260g平均直径700nm的高硅氧纤维分别浸泡在1L去离子水中;
(2)采用超高速分散,将SiO2纳米纤维、莫来石纤维、高硅氧纤维进行高速分散,分散转速为12000rpm;
(3)取平均直径5μm,200mm×200mm×5mm的纤维玄武岩纤维预制体放于底部镂空模具中;
(4)将高硅氧纤维分散液均匀倾倒于玄武岩纤维表面,进行真空抽滤,真空抽滤压力为0.08MPa;
(5)将莫来石纤维分散液均匀倾倒于高硅氧纤维表面,进行真空抽滤,真空抽滤压力为0.05MPa;
(6)将SiO2纳米纤维分散液均匀倾倒于莫来石纤维表面,进行真空抽滤,真空抽滤压力为0.02MPa;
(7)对多尺度纤维梯度复合材料进行热处理,热处理温度为650℃,时间为12h,空气环境。
表1实施例1吸声隔热材料性能
Figure BDA0004041451080000081
实施例2
(1)将80g平均直径70nm的莫来石纳米纤维、50g平均直径200nm的SiO2纤维分别浸泡在1L去离子水中;
(2)采用超高速分散,将莫来石纳米纤维、SiO2纤维进行高速分散,分散转速为8000rpm;
(3)取平均直径2μm,200mm×200mm×5mm的莫来石纤维预制体放于底部镂空模具中;
(4)将SiO2纤维分散液均匀倾倒于莫来石纤维预制体表面,进行真空抽滤,真空抽滤压力为0.07MPa;
(5)将莫来石纳米纤维分散液均匀倾倒于SiO2纤维表面,进行真空抽滤,真空抽滤压力为0.01MPa;
(6)对多尺度纤维梯度复合材料进行热处理,热处理温度为1000℃,时间为24h,空气环境。
表2实施例2吸声隔热材料性能
Figure BDA0004041451080000091
实施例3
(1)将80g平均直径70nm的莫来石纳米纤维、50g平均直径200nm的SiO2纤维分别浸泡在1L去离子水中;
(2)采用超高速分散,将莫来石纳米纤维、SiO2纤维进行高速分散,分散转速为8000rpm;
(3)取平均直径5μm,200mm×200mm×4mm的碳纤维预制体放于底部镂空模具中;
(4)将SiO2纤维分散液均匀倾倒于碳纤维预制体表面,进行真空抽滤,真空抽滤压力为0.06MPa;
(5)将莫来石纳米纤维分散液均匀倾倒于SiO2纤维表面,进行真空抽滤,真空抽滤压力为0.02MPa;
(6)对多尺度纤维梯度复合材料进行热处理,热处理温度为800℃,时间为48h,氩气保护环境。
表3实施例3吸声隔热材料性能
Figure BDA0004041451080000101
需要明确的是,本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且,为了简明起见,这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上仅为本申请的实施例而已,并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种耐高温、柔性宽频吸声隔热材料,其特征在于,包括多层按照纤维直径依次递减/递增叠设的纤维层,至少一个纤维层中的纤维为纳米级纤维。
2.根据权利要求1所述的耐高温、柔性宽频吸声隔热材料,其特征在于,每个纤维层的厚度为0.1mm~20mm。
3.根据权利要求1或2所述的耐高温、柔性宽频吸声隔热材料,其特征在于,每个所述纤维层均包括莫来石、氧化硅、石英、高硅氧、玄武岩、碳纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、硅酸铝中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的耐高温、柔性宽频吸声隔热材料,其特征在于,每个纤维层的纤维直径均小于或等于10μm。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的耐高温、柔性宽频吸声隔热材料的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤1、将除最大直径纤维外的剩余不同直径的纤维分别浸泡在去离子水中;
步骤2、采用超高速分散,将所述剩余不同直径的纤维均匀分散在水溶液中;
步骤3、取最大直径的纤维预制体放于底部镂空模具中;
步骤4、将纤维分散液按照直径梯度依次递减的顺序逐层均匀倾倒于所述最大直径的纤维预制体的表面,并进行真空抽滤,将每层的纤维均部分渗入所述最大直径纤维预制体的内部,形成多尺度纤维梯度复合材料;
步骤5、对所述多尺度纤维梯度复合材料进行热处理,形成耐高温、柔性宽频吸声隔热材料。
6.根据权利要求5所述的耐高温、柔性宽频吸声隔热材料的制备方法,其特征在于,步骤2中,超高速分散的转速为100rpm~20000rpm。
7.根据权利要求5所述的耐高温、柔性宽频吸声隔热材料的制备方法,其特征在于,步骤4中,真空抽滤的压力为0.09MPa~0.01MPa。
8.根据权利要求5所述的耐高温、柔性宽频吸声隔热材料的制备方法,其特征在于,步骤5中,热处理的温度为120℃~1600℃。
9.根据权利要求8所述的耐高温、柔性宽频吸声隔热材料的制备方法,其特征在于,步骤5中,热处理的时间为1h~500h。
10.根据权利要求5或9所述的耐高温、柔性宽频吸声隔热材料的制备方法,其特征在于,热处理的气氛为空气、真空、氩气及氮气中的一种。
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