DE202021105451U1

DE202021105451U1 - Thermal insulation product made of ceramic fiber

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Publication number: DE202021105451U1
Application number: DE202021105451.4U
Authority: DE
Original assignee: Cbg Composites GmbH
Current assignee: Cbg Composites GmbH
Priority date: 2021-10-08
Filing date: 2021-10-08
Publication date: 2021-11-12
Anticipated expiration: 2031-10-09

Abstract

Wärmedämmende Erzeugnis, aufweisend ein Fasermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass seine keramischen Grundfasern mit nanoskaligen, abwechselnden Schichten aus kohlenstoffhaltigen und siliziumhaltigen hochhitzebeständigen Materialien bedeckt sind, wobei diese Schichten eine mikro- und nanoporige Struktur aufweisen.Thermally insulating product, comprising a fiber material, characterized in that its basic ceramic fibers are covered with nanoscale, alternating layers of carbon-containing and silicon-containing highly heat-resistant materials, these layers having a micro- and nanoporous structure.

Description

Das Gebrauchsmuster bezieht sich auf das Gebiet des Maschinenbaus, der Metallurgie und der Raumfahrttechnik, insbesondere des thermischen Schutzes von Konstruktionen, die in einem weiten Temperaturbereich von -100℃ bis +2.400℃ unter Vibrations-, Erosions- und mechanischen Belastungen betrieben werden, und kann als Werkstoff für Elemente der Gas- und Flüssigmetallleitung, eine Wärmeschutzschicht von Wiedereintrittsraumfahrzeugen sowie in anderen Bereichen verwendet werden.The utility model relates to the field of mechanical engineering, metallurgy and space technology, in particular the thermal protection of structures that can and can be operated in a wide temperature range from -100 ℃ to + 2,400 ℃ under vibration, erosion and mechanical loads be used as a material for elements of gas and liquid metal pipes, a heat protection layer of re-entry spacecraft and in other areas.

Wärmedämmprodukte und -materialien, die im Maschinenbau und in der Metallurgie eingesetzt werden, sollen hohe Wärmedämmeigenschaften, Festigkeit, Feuerbeständigkeit und gleichzeitig ein geringes Gewicht aufweisen.Thermal insulation products and materials used in mechanical engineering and metallurgy should have high thermal insulation properties, strength, fire resistance and, at the same time, be lightweight.

Die Herstellung von den einbaufertigen Wärmedämmerzeugnissen mit den besten Charakteristiken in Bezug auf alle diese Merkmale ist eine aktuelle Aufgabe, mit der Hersteller heute konfrontiert sind. Die Schwierigkeiten, die beim Lösen dieser Aufgabe auftreten, sind darauf zurückzuführen, dass Fasermaterialien, die sich am besten für den Wärmeschutz eignen und gleichzeitig leicht sind, eine schlechte Beständigkeit gegenüber Feuer und hohen Temperaturen über 1.400°C aufweisen. Die Wärmedämmerzeugnisse sollten nicht nur die Übertragung von der Strahlungswärme auf die zu isolierende Konstruktion wirksam verhindern, sondern auch über ausreichende Festigkeitseigenschaften verfügen, um die Vibrations-, Erosions- und mechanischen Belastungen standzuhalten.The production of the ready-to-install thermal insulation products with the best characteristics in relation to all of these characteristics is an ongoing task that manufacturers are faced with today. The difficulties encountered in solving this problem are due to the fact that fiber materials, which are best for thermal protection and at the same time light, have poor resistance to fire and high temperatures above 1,400 ° C. The thermal insulation products should not only effectively prevent the transfer of radiant heat to the construction to be insulated, but also have sufficient strength properties to withstand the vibration, erosion and mechanical loads.

Die Wärmeschutzprodukte, die bei hohen Temperaturen funktionieren und aus mikroporösem Kalziumsilikat und keramischen Alumosilikatfasern hergestellt werden, sind zum Beispiel aus den folgenden Patenten bekannt: DE29800864U1 , DE20103298U1 , EP2257503A1 , die Urheberrechtsbescheinigung (Patent) UdSSR Nr. 1033487 A , Patent UdSSR Nr. 1341041 A1 .The thermal protection products that work at high temperatures and are made from microporous calcium silicate and ceramic aluminosilicate fibers are known, for example, from the following patents: DE29800864U1 , DE20103298U1 , EP2257503A1 , the copyright certificate (patent) USSR No. 1033487 A , Patent USSR No. 1341041 A1 .

Alle aufgezählten Erzeugnisse haben eine geringe Erosionsbeständigkeit, einen geringen Widerstand gegen Gasströmungen, eine unzureichende mechanische Festigkeit sowie eine maximale Temperatur für den Langzeitbetrieb von nicht mehr als 1.400°C.All of the products listed have low erosion resistance, low resistance to gas flows, insufficient mechanical strength and a maximum temperature for long-term operation of no more than 1,400 ° C.

Das engste Analogon der beanspruchten Lösung ist das Patent RU0002595354 , in dem theoretisch eine Möglichkeit beschrieben ist, wärmebeständige Produkte für Hyperschallfahrzeuge durch Imprägnieren von Kohlenstofffasern mit Harzen oder Abscheidung von Kohlenstoff oder anderen Materialien, einschließlich Metallen, auf Fasern durch die Gasphase oder durch eine Kombination von Imprägnieren mit Harzen und Beschichten durch die Gasphase herzustellen.The closest analog of the claimed solution is the patent RU0002595354 , which theoretically describes a way to manufacture heat-resistant products for hypersonic vehicles by impregnating carbon fibers with resins or depositing carbon or other materials, including metals, onto fibers by the gas phase or by a combination of impregnation with resins and coating by the gas phase.

Der größte Nachteil dieses Wärmeschutzprodukts besteht darin, dass dieses Produkt nur einmal verwendet werden kann. Darüber hinaus ist das Verfahren der Beschichtung durch die Gasphase technisch sehr aufwendig und mindestens eine Größenordnung teurer als das beanspruchte Gebrauchsmuster.The main disadvantage of this thermal protection product is that this product can only be used once. In addition, the process of coating by the gas phase is technically very complex and at least an order of magnitude more expensive than the claimed utility model.

Das beanspruchte Gebrauchsmuster zielt darauf ab, die Widerstandsfähigkeit gegen Gas-Luft-Strömungen, die mechanische Festigkeit unter Vibrationsbelastungen zu erhöhen, Selbstkosten und Gewicht des Erzeugnisses zu reduzieren sowie die Wärmeleitfähigkeit des Erzeugnisses bei Temperaturen über 1.400°C zu verringern.The claimed utility model aims to increase the resistance to gas-air flows, the mechanical strength under vibration loads, to reduce cost and weight of the product and to reduce the thermal conductivity of the product at temperatures above 1,400 ° C.

Das technische Ergebnis, welches mit dem beanspruchten Gebrauchsmuster erzielt wird, beruht darauf, dass auf die Faseroberfläche im Flüssigphasenverfahren die nanoskaligen abwechselnden Schichten aus kohlenstoff- und siliziumhaltigen flüssigen Komponenten aufgetragen werden, die nach der Aushärtung und Wärmebehandlung Schichten bilden, die mehrheitlich aus festen sauerstofffreien Verbindungen bestehen und mikro- und nanoporöse Struktur haben. Die Anzahl der Schichten soll mindestens drei und nicht mehr als zehn betragen. Diese Struktur ermöglicht es, die Widerstandsfähigkeit gegen Gasströmungen bzw. die Erosionsbeständigkeit zu erhöhen und die Wärmeleitfähigkeit des Produkts bei Temperaturen über 1.400°C zu verringern.The technical result, which is achieved with the claimed utility model, is based on the fact that the nano-scale alternating layers of carbon and silicon-containing liquid components are applied to the fiber surface in the liquid phase process, which after curing and heat treatment form layers, the majority of which are solid, oxygen-free compounds exist and have a micro- and nano-porous structure. The number of layers should be at least three and not more than ten. This structure makes it possible to increase the resistance to gas flows or the erosion resistance and to reduce the thermal conductivity of the product at temperatures above 1,400 ° C.

Die Beständigkeit gegenüber Gasströmungen wurde mittels Bestimmung der Standhaftigkeit des Produktes in einer Gasströmung mit einer Temperatur von 1.400°C und einer Geschwindigkeit von 400 m/s für 30 Minuten ermittelt. Der faktische Wert wurde als Massenverlust über einen bestimmten Zeitraum bestimmt.The resistance to gas flows was determined by determining the stability of the product in a gas flow at a temperature of 1,400 ° C. and a speed of 400 m / s for 30 minutes. The actual value was determined as the loss of mass over a certain period of time.

Das vorliegende Gebrauchsmuster hatte unter diesen Bedingungen einen Massenverlust von weniger als 1,5 %, was ermöglicht, das Erzeugnis als Wärmeschutz für Wiedereintrittsraumfahrzeuge mehrfach zu verwenden.The present utility model had a mass loss of less than 1.5% under these conditions, which enables the product to be used repeatedly as thermal insulation for re-entry spacecraft.

Es ist allgemein bekannt, dass Materialien mit einem Porendurchmesser von weniger als 0,1 µm die geringste Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Mikro- und insbesondere Nanoporen können eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Luft haben. Dies bestätigt das Praxishandbuch «Feuerfeste Werkstoffe», Vulkan-Verlag, in dem, auf den Seiten 224, 235, 326-333, der Aufbau von Wärmedämmstoffen beschrieben wird und Informationen sowie Referenzwerte gegeben werden.It is generally known that materials with a pore diameter of less than 0.1 µm have the lowest thermal conductivity. Micro and especially nanopores can have a lower thermal conductivity than air. This is confirmed by the practical manual “Feuerfeste Werkstoffe”, published by Vulkan-Verlag, in which, on pages 224, 235, 326-333, the structure of thermal insulation materials is described and information and reference values are given.

Die Wärmeübertragung durch Strahlung überwiegt in feuerfesten Materialien bereits bei Temperaturen über 800℃. Als Dämpfer der Wärmeübertragung durch Strahlung gelten feindisperse, hauptsächlich nanodisperse Additive, die die Fasern verstärken. Um eine nanoporöse Struktur auf der Oberfläche der Fasern des beanspruchten Gebrauchsmusters zu bilden, wurden Schichten aus nanoskaligen Filmen aus kohlenstoff- und siliziumhaltigen flüssigen Komponenten auf die Fasern aufgetragen und thermisch ausgehärtet.The heat transfer by radiation predominates in refractory materials at temperatures above 800 ℃. Finely dispersed, mainly nanodisperse additives that reinforce the fibers are considered to dampen the heat transfer through radiation. In order to form a nanoporous structure on the surface of the fibers of the claimed utility model, layers of nanoscale films made of carbon and silicon-containing liquid components were applied to the fibers and thermally cured.

Weniger als drei solcher Schichten gewährleisten keine ausreichend hohe Betriebstemperatur für dieses Produkt und verringern die Wärmeleitfähigkeit bei Temperaturen über 1.400°C unwesentlich.Less than three such layers do not ensure a sufficiently high operating temperature for this product and do not significantly reduce the thermal conductivity at temperatures above 1,400 ° C.

Die Anzahl von mehr als zehn Schichten der nanoskaligen Filme reduziert zwar den Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten bei Temperaturen über 1.400°C um durchschnittlich 15 %, bietet aber keinen ausreichenden Widerstand gegen Gasströmungen und verringert die Elastizität des Produkts.The number of more than ten layers of the nanoscale films reduces the coefficient of thermal conductivity at temperatures above 1,400 ° C by an average of 15%, but does not offer sufficient resistance to gas flows and reduces the elasticity of the product.

Die bei der Wärmebehandlung gebildeten sauerstofffreien Verbindungen sorgen für eine hohe mechanische und Erosionsbeständigkeit des beanspruchten Gebrauchsmusters.The oxygen-free connections formed during the heat treatment ensure a high mechanical and erosion resistance of the claimed utility model.

Die Gesamtheit der oben genannten Merkmale ermöglicht es, ein wärmedämmendes Keramikfaserprodukt mit der maximalen Beständigkeit gegen Gasströmungen bei Temperaturen über 1.400℃, der minimalen Wärmeleitfähigkeit bei denselben Temperaturen und mit einer hohen mechanischen Festigkeit und einem geringen Gewicht zu erhalten.The entirety of the above features makes it possible to obtain a thermal insulating ceramic fiber product with the maximum resistance to gas flows at temperatures above 1,400 ℃, the minimum thermal conductivity at the same temperatures and with a high mechanical strength and low weight.

Das beanspruchte Gebrauchsmuster wird anhand der folgenden Zeichnungen erläutert.

Gesamtansicht des vorliegenden Gebrauchsmusters
Querschnittansicht der Keramikfaser mit den aufgetragenen Schichten
Querschnittansicht des Keramikfasermaterials mit den aufgetragenen verstärkenden Beschichtungen

The claimed utility model is explained with reference to the following drawings.

Overall view of the present utility model
Cross-sectional view of the ceramic fiber with the applied layers
Cross-sectional view of the ceramic fiber material with the reinforcing coatings applied

Das wärmedämmende Erzeugnis, gebildet aus einem Fasermaterial, dessen Fasern im Flüssigphasenverfahren mit nanoskaligen abwechselnden Schichten aus kohlenstoffhaltigen und siliziumhaltigen flüssigen Komponenten beschichtet werden, die nach der Aushärtung und Wärmebehandlung Schichten bilden, in denen starke sauerstofffreie Verbindungen mit mikro- und nanoporöser Struktur dominieren. Die Anzahl der Schichten soll mindestens drei und nicht mehr als zehn betragen. Diese Struktur erlaubt die Widerstandsfähigkeit gegen Gasströmungen zu erhöhen und die Wärmeleitfähigkeit des Produkts bei Temperaturen über 1.400°C zu verringern.The heat-insulating product, formed from a fiber material, the fibers of which are coated in the liquid phase process with nano-scale alternating layers of carbon-containing and silicon-containing liquid components, which after curing and heat treatment form layers in which strong oxygen-free compounds with a micro- and nano-porous structure dominate. The number of layers should be at least three and not more than ten. This structure makes it possible to increase the resistance to gas flows and to reduce the thermal conductivity of the product at temperatures above 1,400 ° C.

Somit kann das entwickelte Produkt als Wärmeschutzmaterial dienen, das unter extremen Bedingungen bei Temperaturen viel höher als die Betriebstemperatur der Keramikfaser ohne aufgetragene nanoskalige Schichten betrieben werden kann, Gas-Luft-Strömungen über 400 m/s standhalten und einen sicheren mechanischen und thermischen Schutz gewährleisten.Thus, the developed product can serve as a heat protection material, which can be operated under extreme conditions at temperatures much higher than the operating temperature of the ceramic fiber without applied nanoscale layers, withstand gas-air flows of over 400 m / s and ensure reliable mechanical and thermal protection.

REFERATPRESENTATION

Wärmedämmendes Erzeugnis wird aus einem anorganischen Keramikfasermaterial hergestellt. Das Binde- und Verstärkungsmaterial des Erzeugnisses werden durch aufeinander folgende nanogroße abwechselnde Schichten gebildet, die im Flüssigphasenverfahren aufgetragen werden. Die nanogroßen Schichten bedecken keramische Grundfasern und bestehen aus kohlenstoffhaltigen und siliziumhaltigen flüssigen Komponenten, die nach der Aushärtung und Wärmebehandlung Schichten bilden, die aus mehrheitlich starken sauerstofffreien Verbindungen bestehen.Thermal insulation product is made of an inorganic ceramic fiber material. The binding and reinforcing material of the product are formed by successive nano-sized alternating layers that are applied in the liquid phase process. The nano-sized layers cover ceramic base fibers and consist of carbon-containing and silicon-containing liquid components that, after curing and heat treatment, form layers that consist mostly of strong oxygen-free compounds.

Diese abwechselnden Schichten weisen eine hochfeste und nanoporöse Struktur auf, was erlaubt, die Wärmeleitfähigkeit dieser Erzeugnisse bei Temperaturen über 1.400°C zu verringern und die Betriebstemperatur, die Beständigkeit gegen Gas-Luft-Strömungen und die mechanische Festigkeit des Erzeugnisses zu erhöhen. Die Anzahl der Schichten soll zu diesem Zweck mindestens drei und nicht mehr als zehn betragen.These alternating layers have a high-strength and nanoporous structure, which makes it possible to reduce the thermal conductivity of these products at temperatures above 1,400 ° C and to increase the operating temperature, the resistance to gas-air currents and the mechanical strength of the product. For this purpose, the number of layers should be at least three and not more than ten.

Das technische Ergebnis: die Reduzierung der Produktionskosten, die Verringerung der Wärmeleitfähigkeit des Erzeugnisses bei hohen Betriebstemperaturen, die Erhöhung der Betriebstemperatur, die Verbesserung der Festigkeitseigenschaften und die Erhöhung der Wärmebeständigkeit sowie die mehrfache Verwendung dieser Produkte, zum Beispiel in Wiedereintrittsraumfahrzeugen.The technical result: a reduction in production costs, a reduction in the thermal conductivity of the product at high operating temperatures, an increase in the operating temperature, an improvement in strength properties and an increase in heat resistance, as well as the multiple use of these products, for example in re-entry spacecraft.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 29800864 U1 [0004]
DE 20103298 U1 [0004]
EP 2257503 A1 [0004]
US 1033487 A [0004]
US 1341041 A1 [0004]
RU 0002595354 [0006]

Claims

Thermal insulation product, comprising a fiber material, characterized in that its ceramic base fibers are covered with nanoscale, alternating layers of carbon-containing and silicon-containing highly heat-resistant materials, these layers having a micro- and nano-porous structure.

Thermal insulation product according to Claim 1 characterized in that the carbon- and silicon-containing materials of the layers are primarily oxygen-free.

Thermal insulation product according to Claim 2 characterized in that the number of layers is at least three and not more than ten.

Heat-insulating product according to one of the preceding claims, characterized in that the layers connect the ceramic base fibers to one another at their contact points and thus form a framework structure which increases the mechanical and erosion resistance of the product.