DE3705440C2 - - Google Patents

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DE3705440C2 DE19873705440 DE3705440A DE3705440C2 DE 3705440 C2 DE3705440 C2 DE 3705440C2 DE 19873705440 DE19873705440 DE 19873705440 DE 3705440 A DE3705440 A DE 3705440A DE 3705440 C2 DE3705440 C2 DE 3705440C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeisolierung zum Schutz gegen zeitlich begrenzte Hitzeeinwirkung, bestehend aus mehreren Reflexionsschichten aus einem keramischen Material.
Wärmeisolierungen sind in verschiedensten Ausführungen bekannt. Sie zeichnen sich im wesentlichen durch deren Materialien und deren Wärmeleitfähigkeit sowie der Dicke der Isolierschicht aus. Bei Anwendungen mit hohen Temperaturen werden in der Regel keramische Materialien aufgrund ihrer Temperaturbeständigkeit zur Herstellung wärmedämmender Platten bevorzugt. Derartige Isolierplatten sind beispielsweise in der DE-PS 27 48 307 und DE-AS 19 62 625 beschrieben.
Es gibt Anwendungsfälle, z. B. in der 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.
Für solche Fälle wurden aus Reflexionsschichten bestehende Wärmeisolierungen gemäß der eingangs genannten Art entwickelt, deren wärmedämmende Wirkung nicht durch schlecht wärmeleitende, sondern durch gut reflektierende Eigenschaften des Materials hervorgerufen wird. Aus der US-PS 37 99 056 ist eine solche Wärmeisolierung bekannt, bei der die Reflexionsschichten aus dünnen Glimmerplatten bestehen. Glimmer besteht aus einem flächigen Schichtaufbau, der durch Teilung auf dünne Plättchen reduziert werden kann, so daß hiermit nur ebene Isolierkörper hergestellt werden können. Durch die Dichte des Glimmers ist deren Anwendung aus Gewichtsgründen nicht optimal.
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 erfindungsgemäße Aufgestaltung zeichnet sich durch ihr geringes Gewicht und ihre Beständigkeit aus. Außerdem lassen sich die Folien mit beliebiger Kontur, dem jeweiligen Anwendungsfall genau angepaßt, ausgestalten, so daß nicht nur ebene Isolierungen herstellbar sind.
Die auf das Reflexionsschichten-Paket strahlende Wärmeenergie wird an den Reflexionsschichten wenigstens zum Teil zurückgestrahlt. Durch Mehrfachreflexion gelingt es schließlich, die durch die ersten Schichten durchdringende Wärmestrahlung nach und nach fast vollständig zurückzureflektieren, so daß nur unwesentliche Energiemengen in den abgeschirmten Raum eindringen.
Bekanntlich haben Metalle gute Reflexionseigenschaften, jedoch können diese insbesondere bei hohen Temperaturen oxidieren und sie verlieren damit ihre Beständigkeit.
Mit der Erfindung werden diese Faktoren überwunden, indem die Mehrfachreflexion als Hitzeschutz bei zeitlich begrenzter Wärmebeaufschlagung höheren Temperaturniveaus eingesetzt wird, wobei die Reflexionsschichten aus temperaturbeständigem 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, wobei die Fasern aus Mullit oder Aluminiumoxid bestehen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bestehen die einzelnen Faserschichten 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 anschließend unter Umständen bei erhöhter Temperatur getrocknet und abschließend gebrannt.
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 bevorzugt, aufgrund des hohen Reflexionsvermögens des Rhodiums und der Festigkeitssteigerung durch die Mischkristallegierung.
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 entsprechende 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 (7)

1. Wärmeisolierung zum Schutz gegen zeitlich begrenzte Hitzeeinwirkung, bestehend aus mehreren Reflexionsschichten aus einem keramischen Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschichten (11) jeweils aus einem imprägnierten und gebrannten Stapel (30) von Einzelfaserlagen (20) bestehen.
2. Isolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (21) aus Mullit oder Aluminiumoxid bestehen.
3. Isolierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Faserschichten (20) aus langen Fasern (21) bestehen, die flächig, regellos orientiert und homogen verteilt sind.
4. Isolierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägnierungsmaterial aus Mullit oder Aluminiumoxid besteht.
5. Isolierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschichten (11) mit einem temperaturbeständigen Material aus einem Edelmetall oder -legierung, beschichtet sind.
6. Isolierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Reflexionsschichten (11) mehrere dünne Oxidschichten (32) aufweist, die unterschiedliche Brechungsindizes haben.
7. Isolierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Reflexionsschichten (11) temperaturbeständige Faserwolle (12) als Abstandshalter vorgesehen ist.
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