DE3705440A1 - Waermeisolierung fuer hohe temperaturen - Google Patents

Waermeisolierung fuer hohe temperaturen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeisolierung aus im wesentlichen keramischem Material für hohe Temperaturen.
Wärmeisolierungen sind in verschiedensten Ausführungen bekannt. Sie zeichnen sich im wesentlichen durch deren Materialien und deren Wärmeleitfähigkeit sowie der Dicke der Isolierschicht aus. Es gibt Anwendungsfälle, z. B. die Raumfahrttechnik, bei denen ein weiteres Kriterium, nämlich das Gewicht für die Auslegung der Wärmeisolierung, eine große Rolle spielt, d. h., es wird ein möglichst geringes Gewicht gefordert. Die konventionellen, kompakten Wärmeisolierungen erfüllen nicht die gewünschten Anforderungen bezüglich des Gewichtes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeisolierung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen wirksamen Hitzeschutz gegen hohe Temperaturen bietet und außerdem ein geringes Gewicht aufweist.
Die Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
Die auf das Reflexionsschichten-Paket strahlende Wärmeenergie wird an den Reflexionsschichten wenigstens zum Teil zurückge­ strahlt. Durch Mehrfachreflexion gelingt es schließlich, die durch die ersten Schichten durchdringende Wärmestrahlung nach und nach fast vollständig zurückzureflektieren, so daß nur unwesentliche Energiemenge in den abgeschirmten Raum eindringen.
Aus mehreren Reflexionsschichten bestehende Wärmeisolierungen sind zwar auf dem Gebiet der Tieftemperaturtechnik bekannt, wobei ein unter Raumtemperatur befindlicher Raum von der Außentempera­ tur isoliert werden soll. Bei der wärmeren Seite handelt es sich jedoch um Temperaturen, die sich im Bereich der Raumtemperatur bewegen, so daß für die Reflexionsschichten eine breite Palette von Materalien zur Verfügung stehen, die außerdem bei diesen Temperaturbereichen beständig sind und wobei u. a. das Reflexions­ vermögen über die Zeit unverändert bleibt.
Einer Anwendung derartiger Wärmeisolierungen bei hohen Tempera­ turen im Bereich von 1000°C und höher stehen aber zumindest zwei Faktoren entgegen. Als Reflexionsschicht geeignete hochtempera­ rurbeständige Metalle oxidieren und verlieren damit ihre Bestän­ digkeit. Ferner werden die Reflexionsschichten mit der Zeit auf die abzuschirmende Temperatur aufgeheizt und sie verlieren damit ihre Wärmeisolierfähigkeit.
Mit der Erfindung werden diese Faktoren überwunden, indem die Mehrfachreflexion als Hitzeschutz bei zeitlich begrenzter Wärme­ beaufschlagung höheren Temperaturniveaus eingesetzt wird, wobei die Reflexionsschichten aus temperaturenbeständigem keramischem Material bestehen. Damit kann auch bei Anwendungsfällen mit hohen Temperaturen der Vorteil des geringen Gewichtes einer derartigen Isolierung nutzbar gemacht werden.
Die Reflexionsschichten bestehen vorzugsweise aus sehr dünnen Folien im Bereich von 20-200 µm.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Keramikfolien einseitig mit einem temperaturbeständigen Material, insbesondere Edelmetall oder deren Legierung beschichtet, wobei diese Schicht 0,2 µm oder wenig darüber beträgt. Hiermit wird das hohe Reflexionsvermögen der Metalle genützt. Das Verbund- Keramik-Metall erlaubt somit die Herstellung und Nutzung von hochwertigen Reflexionsschichten-Isolierungen in der Raumfahrt. Das Keramiksubstrat mit gut reflektierender Oberfläche bietet nämlich im Vergleich zu voll metallischen Reflexionsschichten eine bezüglich des Gewichtes wesentlich leichtere und außerdem wesentlich billigere Isolierung unter Beibehaltung eines guten Reflexionsvermögens. Derartige Reflexionsschichten sind auch aufgrund des nichtoxidierenden Edelmetalls beständig.
Für die Metallschicht wird eine Platinrhodium-Legierung bevor­ zugt aufgrund des hohen Reflexionsvermögens des Rhodiums und der Festigkeitssteigerung durch die Mischkristallegierung.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht die Keramikschicht aus einem imprägnierten und gebrannten Stapel von Einzelfaserlagen aus Keramik, z. B. Mullit, A l 203. Die Einzellage besteht aus langen Fasern, die flächig regellos orientiert und homogen verteilt sind. Mehrere solcher Einzellagen werden gestapelt und vorzugsweise im Sol-Gel-Verfahren imprägniert. Das Imprägnierungsmaterial kann auch Mullit oder Aluminiumoxid sein. Die so hergestellte Fasermatte wird an­ schließend unter Umständen bei erhöhter Temperatur getrocknet und abschließend gebrannt.
Die so hergestellten Fasermatten haben aufgrund der Verstärkung der Keramikfasern und des ultrahomogenen und feinkörnigen Imprägniermaterials, das durch das Sol-Gel-Verfahren eingebracht wird, gegenüber üblichen Keramiken deutlich reduzierte Rißbil­ dungsempfindlichkeit und stellen somit eine geeignete Reflexions­ schicht dar. Die Dicke solcher Keramikschichten kann bis minimal 20 µm betragen.
Um den Anteil an Imprägniermaterial in dem Faserstapel zu erhöhen, kann ein zweiter und weitere Imprägniervorgänge vorge­ nommen werden. Aufgrund des hohen Flüssigkeitsanteils des Gels erfährt die Fasermatte eine starke Schrumpfung während des Trockenvorganges. Dem kann entgegengewirkt werden, wenn feines Keramikpulver, mit etwa 0,1 µm Korngröße in das Gel eingegeben wird. Für den Brennvorgang wird die imprägnierte und getrocknete Fasermatte auf eine Unterlage gelegt, die eine nicht adhesive Oberfläche hat, um die relativ dünnen Fasermatten im Schrumpfungs­ prozeß unbeschädigt zu erhalten. Anderenfalls würden Risse ent­ stehen, wenn die Matte auf der Unterlage haftet und einer Schrumpfbewegung Widerstand leistet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Reflexionsschicht einseitig mit mehreren dünnen Oxidschichten beschichtet, die unterschiedliche Brechungsindizes haben. Diese Beschichtung erfolgt vorzugsweise auf ein bereits mit einer Metallschicht versehenes Keramiksubstrat. Mit den Oxidschichten kann das Reflexionsvermögen nennenswert angehoben werden, so daß bei der Verwendung von Oxidbeschichtungen eine geringere Zahl von Reflexionsschichten für einen Anwendungsfall notwendig wer­ den.
Als Abstandshalter für die Reflexionsschichten eignet sich insbe­ sondere eine temperaturbeständige Faserwolle, z. B. ebenfalls aus Mullit oder Aluminiumoxid, für Temperaturen unter 1000°C aber auch Siliziumoxid, die eine Abstützung der dünnen Reflexions­ folien auf kleinen Abständen und gleichzeitig eine wesentliche fertigungstechnische Vereinfachung des Zusammenbaus der Reflexionsschichten zur Herstellung der Isolierungseinheit bie­ tet.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt das Ausführungsbeispiel und
Fig. 2 und 3 Details aus Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine plattenförmige Wärmeisolierung (10) darge­ stellt, die aus vier Reflexionsschichten (11) besteht, zwischen denen Faserwolle (12) als Abstandshalter vorgesehen ist. Die einseitige Wärmeeinwirkung wird mit der Wärmeisolierung (10) durch Mehrfachreflexion (14) der Wärmestrahlen (13) an den Reflexionsschichten (11) abgehalten, so daß der Raum (15) auf der anderen Seite der Wärmeisolierung (10) von einer Wärmeein­ wirkung freigehalten wird.
Die Reflexionsschichten (11) bestehen im wesentlichen aus Keramikmaterial. Zur Herstellung der Keramikfolien werden gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Einzellagen (20) aus dünnen (3 µm) Keramikfasern (21) hergestellt. Eine Einzellage (20) besteht aus einer Faserlage, in der lange Fasern (21) regellos orientiert und gleichmäßig in einer Ebene verteilt sind. Je nach der gewünschten Dicke der Keramikschicht (30) wird eine entprechende Anzahl derartiger Einzellagen (20) gestapelt und zur Verfestigung des Stapels (30) mit einem Imprägniermittel (33) imprägniert, anschließend getrocknet und gebrannt.
Die Wärmeisolierwirkung einer hier beschriebenen Wärmeisolierung (10) wird durch das Reflexionsvermögen der Reflexionsschichten (11) und deren Anzahl bestimmt.
Um mit einer möglichst geringen Anzahl von Reflexionsschichten (11) auszukommen, wird die Keramikfolie (30) mit einem Edelmetall oder einer Legierung, z. B. PtRh, beschichtet (31). Diese Metallschicht kann sehr dünn sein, sollte jedoch 0,2 µm nicht unterschreiten, um den Wärmestrahlungsdurchlaßwert möglichst niedrig zu halten. Eine weitere Verbesserung kann dadurch er­ zielt werden, daß auf der Metallbeschichtung (31) weitere dünne Beschichtungen (32) vorgesehen werden, die z. B. aus Metalloxiden bestehen und unterschiedliche Brechungsindizes haben. So können die Schichten alternierend einen ersten und einen zweiten Brechungsindex haben. Damit kann das Reflexionsvermögen an den Wert r=1 gebracht werden. Auf diese Weise ist eine weitere Reduzierung der Reflexionsschichtenzahl möglich.

Claims (14)

1. Wärmeisolierung aus im wesentlichen keramischem Material für hohe Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Hitzeschutzes gegen zeitlich begrenzte Hitze­ einwirkung die Wärmeisolierung (10) aus mehreren Reflexions­ schichten (11) besteht.
2. Isolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschichten (11) dünne Folien im mm-Bereich und darunter sind.
3. Isolierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschichten (11) aus einem imprägnierten und gebrannten Stapel (30) von Einzelfaserlagen (20) be­ stehen.
4. Isolierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (21) aus Mullit oder Aluminiumoxid bestehen.
5. Isolierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschichten mit einem temperaturbeständigen Material, insbesondere Edelmetall oder -legierung beschichtet sind.
6. Isolierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Reflexionsschichten mehrere dünne Oxidbeschichtungen (32) aufweist, die unter­ schiedliche Brechungsindizes haben.
7. Isolierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Reflexionsschichten (11) temperaturbeständige Faserwolle (12) als Abstandshalter vorgesehen ist.
8. Verfahren zum Herstellen einer Reflexionsschicht für Wärme­ isolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fasermatte aus regellos orientierten Fasern aus keramischem Material hergestellt wird, die mindestens ein­ mal imprägniert, getrocknet und abschließend gebrannt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasermatte als Stapel von Einzellagen zusammengesetzt wird, und daß die Einzellagen aus langen Fasern bestehen, die flächig regellos orientiert und homogen verteilt sind.
10. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasermatte im Sol-Gel-Verfahren imprägniert und bei erhöhter Temperatur getrocknet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gel Keramikpulver beigemischt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die imprägnierte und getrocknete Fasermatte auf eine Unterlage mit nicht adhesiver Oberfläche gelegt und gebrannt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern sowie das Imprägnierungsmaterial aus Mullit oder Al 203 bestehen.
14. Wärmeisolierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch deren Anwendung als Hitzeschutzisolation für Raumfahrzeuge.
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