本申請(qǐng)為發(fā)明名稱為“一種高抗壓隔熱材料及其制備方法”的分案申請(qǐng)，原申請(qǐng)的申請(qǐng)日為2014.10.31，申請(qǐng)?zhí)枮?01410597047.0。
本發(fā)明涉及隔熱材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種抗壓隔熱材料的制備方法及制得的抗壓隔熱材料。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代航天飛行器在大氣層中長(zhǎng)時(shí)高速巡航的過(guò)程中，隨著馬赫數(shù)的不斷提高，飛行器要承受氣動(dòng)載荷和熱載荷的共同作用。為了保證飛行器外形結(jié)構(gòu)完整，內(nèi)部的元器件正常工作，需要一種有效的熱防護(hù)隔熱材料能夠同時(shí)滿足高耐溫隔熱和高承載強(qiáng)度的要求。
目前常見(jiàn)的隔熱材料可以分為柔性和剛性兩類(lèi)，其中柔性隔熱材料耐溫隔熱性能較好，耐溫性能滿足1000℃使用，導(dǎo)熱系數(shù)＜0.1w/m·k，但抗壓性能較差，抗壓強(qiáng)度通常＜0.1mpa；而剛性隔熱材料的抗壓性能較好，抗壓強(qiáng)度接近1.0mpa，但導(dǎo)熱系數(shù)較大，通常＞0.1w/m·k?？梢?jiàn)，上述兩類(lèi)隔熱材料無(wú)法同時(shí)滿足航天飛行器高抗壓強(qiáng)度和高耐溫隔熱的需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種抗壓隔熱材料及其制備方法，制備方法簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、對(duì)環(huán)境污染小。該材料在室溫至1200℃應(yīng)用環(huán)境能夠保持較高的抗壓性能，同時(shí)具備較低的導(dǎo)熱系數(shù)和較好的耐溫隔熱性能，適用于室溫至高溫對(duì)材料抗壓和耐溫隔熱性能要求較高的環(huán)境。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：
1、一種制備抗壓隔熱材料的方法，所述方法包括如下步驟：
(1)將纖維分散成型為塊狀纖維基體；
(2)將所述纖維基體與增強(qiáng)劑復(fù)合，經(jīng)過(guò)干燥、高溫處理得到纖維陶瓷骨架，所述增強(qiáng)劑用于增加纖維基體的抗壓性；
(3)將所述纖維陶瓷骨架與溶膠復(fù)合，經(jīng)過(guò)干燥、后處理過(guò)程得到所述抗壓隔熱材料；
其中，步驟(1)中，所述纖維基體被加工成特定形狀，所述特定形狀根據(jù)使用抗壓隔熱材料的物體形狀確定；和
所述纖維為石英纖維、氧化鋁纖維、莫來(lái)石纖維和氧化鋯纖維中的至少一種，且所述纖維的直徑為5-10μm、長(zhǎng)度為2-8mm。
2、根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，步驟(3)中，所述陶瓷骨架與溶膠的質(zhì)量比例為1：(0.2～5.0)。
3、根據(jù)技術(shù)方案1或2所述的方法，步驟(3)中，所述陶瓷骨架與溶膠的質(zhì)量比例為1：(0.4～1.0)。
4、根據(jù)技術(shù)方案1至3中任一項(xiàng)所述的方法，步驟(3)中，所述陶瓷骨架與溶膠的質(zhì)量比例為1：(0.5～1.5)。
5、根據(jù)技術(shù)方案1至4中任一項(xiàng)所述的方法，步驟(3)中，所述溶膠材料由二氧化硅溶膠、三氧化二鋁溶膠和二氧化鋯溶膠的一種或多種組合而成。
6、根據(jù)技術(shù)方案1至5中任一項(xiàng)所述的方法，步驟(2)中，所述增強(qiáng)劑為正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、二氧化硅溶膠、乙二醇、水、鹽酸、氨水中的一種或多種按照質(zhì)量比(0-100)：(0-100)：(0-100)：(0-1000)：(100-100)：(1-5)：(100-1000)混合而成的組合物。
7、根據(jù)技術(shù)方案1至6中任一項(xiàng)所述的，步驟(1)中，所述纖維的直徑為6-8μm、長(zhǎng)度為4-6mm。
8、根據(jù)技術(shù)方案1至7中任一項(xiàng)所述的方法，步驟(1)中，所述纖維由莫來(lái)石纖維和氧化鋯纖維組成、由石英纖維和氧化鋁纖維組成、由氧化鋯纖維和氧化鋁纖維組成、或由石英纖維組成。
9、一種抗壓隔熱材料，采用上述方法制備而成。
10、根據(jù)技術(shù)方案9所述的抗壓隔熱材料，所述高溫隔熱材料的室溫導(dǎo)熱系數(shù)為0.03-0.08w/m.k，密度為0.3-1g/cm3。
(三)有益效果
本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：
本發(fā)明提供了抗壓隔熱材料(下文有時(shí)稱為“高抗壓隔熱材料”)及其制備方法。該抗壓隔熱材料采用陶瓷纖維作為骨架，經(jīng)過(guò)纖維陶瓷骨架制備、增強(qiáng)、氣凝膠復(fù)合等步驟制備得到。制備方法簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、對(duì)環(huán)境污染小。該材料在室溫至1200℃應(yīng)用環(huán)境能夠保持較高的抗壓性能，同時(shí)具備較低的導(dǎo)熱系數(shù)和較好的耐溫隔熱性能，適用于室溫至高溫對(duì)材料抗壓和耐溫隔熱性能要求較高的環(huán)境，在航天航空工業(yè)、民用工業(yè)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
一方面，一種抗壓隔熱材料，所述抗壓隔熱材料由纖維陶瓷骨架與溶膠復(fù)合而成，并經(jīng)過(guò)干燥和烘箱處理過(guò)程；所述纖維陶瓷骨架由纖維基體與增強(qiáng)劑復(fù)合而成，并經(jīng)過(guò)干燥、高溫處理過(guò)程，所述增強(qiáng)劑用于增加纖維基體的抗壓性；所述纖維基體由石英纖維、氧化鋁纖維、莫來(lái)石纖維和氧化鋯纖維中的至少一種分散后成形為塊狀纖維基體。
進(jìn)一步的，所述纖維的直徑在1μm-15μm之間，長(zhǎng)度在1μm-10mm之間。
進(jìn)一步的，所述增強(qiáng)劑為正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、二氧化硅溶膠、乙二醇、水、鹽酸、氨水中的一種或多種按照質(zhì)量比a：b：c：d：e：f：g混合而成的組合，其中，0≤a≤100：0≤b≤100：0≤c≤100：0≤d≤1000：100≤e≤1000：1≤f≤5：100≤g≤1000。
進(jìn)一步的，所述溶膠材料由二氧化硅溶膠、三氧化二鋁溶膠和二氧化鋯溶膠的一種或多種組合而成。
進(jìn)一步的，所述纖維陶瓷骨架與溶膠的質(zhì)量比例為1：x，其中，0.2≤x≤5。
另一方面，一種制備上述抗壓隔熱材料的方法，包括：
將纖維分散成型為塊狀纖維基體；
將所述纖維基體與增強(qiáng)劑復(fù)合，經(jīng)過(guò)干燥、高溫處理得到纖維陶瓷骨架，所述增強(qiáng)劑用于增加纖維基體的抗壓性；
將所述纖維陶瓷骨架與溶膠復(fù)合，經(jīng)過(guò)干燥、后處理過(guò)程得到所述抗壓隔熱材料。
進(jìn)一步的，所述纖維的直徑在1μm-15μm之間，長(zhǎng)度在1μm-10mm之間。
進(jìn)一步的，所述增強(qiáng)劑為正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、二氧化硅溶膠、乙二醇、水、鹽酸、氨水中的一種或多種按照質(zhì)量比a：b：c：d：e：f：g混合而成的組合，其中，0≤a≤100：0≤b≤100：0≤c≤100：0≤d≤1000：100≤e≤1000：1≤f≤5：100≤g≤1000。
進(jìn)一步的，所述溶膠材料由二氧化硅溶膠、三氧化二鋁溶膠和二氧化鋯溶膠的一種或多種組合而成。
進(jìn)一步的，所述纖維陶瓷骨架與溶膠的質(zhì)量比例為1：x，其中，0.2≤x≤5。
實(shí)施例1
本發(fā)明實(shí)施例提供一種抗壓隔熱材料，所述抗壓隔熱材料由纖維陶瓷骨架與溶膠復(fù)合而成的氣凝膠復(fù)合材料，并經(jīng)過(guò)干燥和后處理過(guò)程；對(duì)于溶膠，其在本發(fā)明中主要起到提高材料抗壓和隔熱性能的作用。本發(fā)明所采用的溶膠制得的氣凝膠的使用溫度必須能夠接近或者達(dá)到目標(biāo)使用環(huán)境溫度，例如室溫至1200℃甚至更高的溫度。溶膠可以是市售產(chǎn)品，例如可以氧化鋯溶膠和/或三氧化二鋁溶膠。所述纖維陶瓷骨架由纖維基體與增強(qiáng)劑復(fù)合而成，并經(jīng)過(guò)干燥、高溫處理過(guò)程，所述增強(qiáng)劑用于提高材料抗壓性能的作用，增加纖維基體的抗壓性。所述纖維基體由石英纖維、氧化鋁纖維、莫來(lái)石纖維和氧化鋯纖維中的至少一種分散后成塊狀纖維基體，后續(xù)可根據(jù)抗壓隔熱材料的具體使用要求加工成特定形狀，所述特定形狀根據(jù)使用抗壓隔熱材料的物體形狀確定。其中纖維陶瓷骨架，該骨架可以由不同種類(lèi)不同比例的纖維組成，使得纖維骨架具有不同的熱物理性能；溶膠材料，可以有不同種類(lèi)不同比例的溶膠組成，使得制得的溶膠復(fù)合材料具備不同的耐溫隔熱性能。
優(yōu)選的，所述纖維的直徑在1μm-15μm之間，例如可以為該范圍內(nèi)的任意直徑，例如可以為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15μm，或者其間的任意子范圍，例如5-10μm、6-8μm等。長(zhǎng)度在1μm-10mm之間，例如可以為1、2、3、4、5、6、7、8、9或10mm，或者其間的任意子范圍，例如2-8mm、4-6mm等。
進(jìn)一步優(yōu)選的，所述增強(qiáng)劑為正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、二氧化硅溶膠、乙二醇、水、鹽酸、氨水中的一種或多種按照質(zhì)量比a：b：c：d：e：f：g混合而成的組合，其中，0≤a≤100：0≤b≤100：0≤c≤100：0≤d≤1000：100≤e≤1000：1≤f≤5：100≤g≤1000。
進(jìn)一步優(yōu)選的，所述溶膠材料由二氧化硅溶膠、三氧化二鋁溶膠和二氧化鋯溶膠的一種或多種組合而成。
進(jìn)一步優(yōu)選的，所述纖維陶瓷骨架與溶膠的質(zhì)量比例為1：x，其中，0.2≤x≤5。例如纖維陶瓷骨架與溶膠的質(zhì)量比例為1：0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、2.0、3.0、4.0或5.0，該比例過(guò)高或過(guò)低可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)隔熱性能和抗壓性能的平衡。
本發(fā)明實(shí)施例提供的高抗壓隔熱材料及其制備方法，該隔熱材料采用陶瓷纖維作為骨架，經(jīng)過(guò)纖維陶瓷骨架制備、增強(qiáng)、氣凝膠復(fù)合等步驟制備得到。制備方法簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、對(duì)環(huán)境污染小。該材料在室溫至1200℃應(yīng)用環(huán)境能夠保持較高的抗壓性能，同時(shí)具備較低的導(dǎo)熱系數(shù)和較好的耐溫隔熱性能，適用于室溫至高溫對(duì)材料抗壓和耐溫隔熱性能要求較高的環(huán)境，在航天航空工業(yè)、民用工業(yè)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
實(shí)施例2
本發(fā)明實(shí)施例提供一種制備上述高抗壓隔熱材料的方法，包括：
步驟一、將纖維分散成型為塊狀纖維基體；
步驟二、將所述纖維基體與增強(qiáng)劑復(fù)合，經(jīng)過(guò)干燥、高溫處理得到纖維陶瓷骨架，所述增強(qiáng)劑用于增加纖維基體的抗壓性；
步驟三、將所述纖維陶瓷骨架與溶膠復(fù)合，經(jīng)過(guò)干燥、后處理過(guò)程得到所述高抗壓隔熱材料。
該方法中，所述纖維的直徑在1μm-15μm之間，長(zhǎng)度在1μm-10mm之間。
該方法中，所述增強(qiáng)劑為正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、二氧化硅溶膠、乙二醇、水、鹽酸、氨水中的一種或多種按照質(zhì)量比a：b：c：d：e：f：g混合而成的組合，其中，0≤a≤100：0≤b≤100：0≤c≤100：0≤d≤1000：100≤e≤1000：1≤f≤5：100≤g≤1000。
該方法中，所述溶膠材料由二氧化硅溶膠、三氧化二鋁溶膠和二氧化鋯溶膠的一種或多種組合而成。
該方法中，所述纖維陶瓷骨架與溶膠的質(zhì)量比例為1：x，其中，0.2≤x≤5。
本發(fā)明的所述高抗壓隔熱材料及其制備方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)本發(fā)明制備的高抗壓隔熱材料耐高溫性能好，可在室溫至1200℃以下長(zhǎng)期使用；
(2)本發(fā)明制備的高抗壓隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，具有較好的隔熱性能，室溫導(dǎo)熱系數(shù)為0.03-.08w/m.k；
(3)本發(fā)明制備的高抗壓隔熱材料具有較好的抗壓性能，抗壓強(qiáng)度＞2mpa；
(4)本發(fā)明制備的高抗壓隔熱材料密度可控，例如可以被控制為0.3-1g/cm3之間；
(5)本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、對(duì)環(huán)境污染?。?/p>
(6)本發(fā)明可以用于制備各種形狀規(guī)格的構(gòu)件產(chǎn)品，在航空航天工業(yè)及其它高溫、需要隔熱密封的環(huán)境中具有廣泛的應(yīng)用前景。
另外注意的是，如果沒(méi)有特別說(shuō)明，本發(fā)明所記載的任何范圍包括端值以及端值之間的任何數(shù)值以及以端值或者端值之間的任意數(shù)值所構(gòu)成的任意子范圍。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。這些實(shí)施例只是就本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行舉例說(shuō)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)解釋為僅限于這些實(shí)施例。本發(fā)明各實(shí)施例涉及原料均為市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)。
實(shí)施例3
制備本發(fā)明所述的高抗壓隔熱材料，其中，纖維基體骨架由石英纖維(直徑3-5μm、長(zhǎng)度1-3mm)和氧化鋁纖維(直徑5-8μm、長(zhǎng)度1-3mm)組成。
首先將上述兩種纖維混合分散、成型、干燥制成纖維基體。然后將正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、二氧化硅溶膠、乙二醇、水、鹽酸、氨水的一種或多種按照質(zhì)量比0：100：0：300：150：3：400混合制成增強(qiáng)劑，再將增強(qiáng)劑浸入纖維基體。經(jīng)過(guò)干燥、高溫處理，可以得到增強(qiáng)的纖維陶瓷骨架。將纖維陶瓷骨架與二氧化硅溶膠按照質(zhì)量比1：1.5復(fù)合，經(jīng)過(guò)干燥、后處理等步驟得到高抗壓隔熱材料。
測(cè)試樣品性能：耐溫1000℃(1000℃處理2h，樣品不收縮)；密度0.5g/cm3(gb/t6343-2009)；室溫導(dǎo)熱系數(shù)0.05w/m.k(gb/t10295-2008)；抗壓強(qiáng)度2.1mpa(1000℃，3％形變，gb/t8813-2008)。
實(shí)施例4
制備本發(fā)明所述的高抗壓隔熱材料，其中，纖維基體由氧化鋯纖維(直徑1-3μm、長(zhǎng)度1-3mm)和氧化鋁纖維(直徑3-5μm、長(zhǎng)度3-5mm)組成。
首先將上述兩種纖維混合分散、成型、干燥制成纖維基體。然后將正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、二氧化硅溶膠、乙二醇、水、鹽酸、氨水的一種或多種按照質(zhì)量比100：0：0：500：300：1：200混合制成增強(qiáng)劑，再將增強(qiáng)劑浸入纖維基體。經(jīng)過(guò)干燥、高溫處理，可以得到增強(qiáng)的纖維陶瓷骨架。將纖維陶瓷骨架與三氧化二鋁溶膠按照質(zhì)量比1：1復(fù)合，經(jīng)過(guò)干燥、后處理等步驟得到高抗壓隔熱材料。
測(cè)試樣品性能：耐溫1200℃(1200℃處理2h，樣品不收縮)；密度0.7g/cm3(gb/t6343-2009)；室溫導(dǎo)熱系數(shù)0.07w/m.k(gb/t10295-2008)；抗壓強(qiáng)度4.0mpa(1200℃，3％形變，gb/t8813-2008)。
實(shí)施例5-10
表1中所列內(nèi)容，實(shí)施例5-10采用與實(shí)施例3和4相同的方式實(shí)施。
下面列舉一些比較例，用于說(shuō)明如果使用的增強(qiáng)劑或溶膠的配比超出了比例范圍得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)或抗壓性能下降明顯。
比較例1
纖維基體骨架由石英纖維(直徑3-5μm、長(zhǎng)度1-3mm)和氧化鋁纖維(直徑5-8μm、長(zhǎng)度1-3mm)組成。
首先將上述兩種纖維混合分散、成型、干燥制成纖維基體。然后將正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、二氧化硅溶膠、乙二醇、水、鹽酸、氨水的一種或多種按照質(zhì)量比100：0：0：500：300：20：200混合制成增強(qiáng)劑，再將增強(qiáng)劑浸入纖維基體。經(jīng)過(guò)干燥、高溫處理，再與二氧化硅溶膠按照質(zhì)量比1：1復(fù)合，經(jīng)過(guò)干燥、后處理等步驟得到材料。
測(cè)試樣品性能：耐溫1000℃(1000℃處理2h，樣品不收縮)；密度0.5g/cm3(gb/t6343-2009)；室溫導(dǎo)熱系數(shù)0.05w/m.k(gb/t10295-2008)；抗壓強(qiáng)度0.3mpa(1200℃，3％形變，gb/t8813-2008)。
比較例2
纖維基體由氧化鋯纖維(直徑1-3μm、長(zhǎng)度1-3mm)和氧化鋁纖維(直徑3-5μm、長(zhǎng)度3-5mm)組成。
首先將上述兩種纖維混合分散、成型、干燥制成纖維基體。然后將正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、硅溶膠、硼酸三丁脂、乙醇、水、鹽酸、氨水的一種或多種按照質(zhì)量比0：0：100：10：100：100：0.5：100混合制成增強(qiáng)劑，再將增強(qiáng)劑浸入纖維基體。經(jīng)過(guò)干燥、高溫處理，再與三氧化二鋁溶膠按照質(zhì)量比1：1復(fù)合，經(jīng)過(guò)干燥、后處理等步驟得到高抗壓隔熱材料。
測(cè)試樣品性能：耐溫1200℃(1200℃處理2h，樣品不收縮)；密度0.7g/cm3(gb/t6343-2009)；室溫導(dǎo)熱系數(shù)0.07w/m.k(gb/t10295-2008)；抗壓強(qiáng)度0.4mpa(1200℃，3％形變，gb/t8813-2008)。
比較例3
纖維基體由氧化鋯纖維(直徑1-3μm、長(zhǎng)度1-3mm)和氧化鋁纖維(直徑3-5μm、長(zhǎng)度3-5mm)組成。
首先將上述兩種纖維混合分散、成型、干燥制成纖維基體。然后將正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、二氧化硅溶膠、乙二醇、水、鹽酸、氨水的一種或多種按照質(zhì)量比0：100：0：300：150：3：400混合制成增強(qiáng)劑，再將增強(qiáng)劑浸入纖維基體。經(jīng)過(guò)干燥、高溫處理，再與二氧化硅溶膠按照質(zhì)量比1：0.1復(fù)合，經(jīng)過(guò)干燥、后處理等步驟得到高抗壓隔熱材料。
測(cè)試樣品性能：耐溫1200℃(1200℃處理2h，樣品不收縮)；密度0.7g/cm3(gb/t6343-2009)；室溫導(dǎo)熱系數(shù)0.15w/m.k(gb/t10295-2008)；抗壓強(qiáng)度1.5mpa(1200℃，3％形變，gb/t8813-2008)。
比較例4
纖維基體由氧化鋯纖維(直徑1-3μm、長(zhǎng)度1-3mm)和氧化鋁纖維(直徑3-5μm、長(zhǎng)度3-5mm)組成。
首先將上述兩種纖維混合分散、成型、干燥制成纖維基體。然后將正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、二氧化硅溶膠、乙二醇、水、鹽酸、氨水的一種或多種按照質(zhì)量比100：0：0：500：300：1：200混合制成增強(qiáng)劑，再將增強(qiáng)劑浸入纖維基體。經(jīng)過(guò)干燥、高溫處理，再與三氧化二鋁溶膠按照質(zhì)量比1：10復(fù)合，經(jīng)過(guò)溶膠、凝膠、老化、超臨界干燥、后處理等步驟得到高抗壓隔熱材料。
測(cè)試樣品性能：耐溫1200℃(1200℃處理2h，樣品不收縮)；密度0.3g/cm3(gb/t6343-2009)；室溫導(dǎo)熱系數(shù)0.03w/m.k(gb/t10295-2008)；抗壓強(qiáng)度1.0mpa(1200℃，3％形變，gb/t8813-2008)。
最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。