本申請為分案申請，原申請的申請日為2015年01月15日，申請?zhí)枮?015100209628，發(fā)明名稱為超高溫梯度隔熱材料及其制備方法。
本發(fā)明涉及隔熱材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超高溫梯度隔熱材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，熱防護系統(tǒng)和材料已成為制約飛行器研發(fā)能否成功的最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著飛行馬赫數(shù)的不斷提高，對熱防護材料的使用溫度的要求越來越高，工作時，燃燒室外壁的溫度高達2000k以上，為了保護發(fā)動機金屬殼體及其周邊的電子設(shè)備，同時減少熱量的散耗及其帶來的明顯的紅外信號特征，燃燒室外壁采用超高溫隔熱材料進行熱防護。
現(xiàn)有的火箭發(fā)動機所用耐熱防護材料，一般為石墨布/酚醛、碳布/酚醛、高硅氧布/酚醛、玻璃布/酚醛，絕熱層材料常為玻璃纖維、高硅氧或石棉增強的酚醛或環(huán)氧樹脂，及石棉或二氧化硅填充的丁腈橡膠和三元已丙橡膠等。但此類耐熱防護材料耐溫較低。
隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，耐溫更高等級的熱防護材料逐漸開發(fā)出來，其中zrc/氣凝膠和樹脂聚合物疊層復(fù)合材料耐溫較高，但是該材料具有長時間使用隔熱性能下降的缺點。還有采用了氧化鋯類材料，但是該材料具有高溫下輻射傳熱較嚴(yán)重的缺點。
由此可見，現(xiàn)有的熱防護材料耐溫低，約為1800-2000k，使用時間短，約幾十秒到400秒左右，已不能滿足高速飛行器高馬赫數(shù)、長時間的飛行需要。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明實施例提供一種超高溫梯度隔熱材料及其制備方法，主要目的是提高耐溫溫度，延長使用時間。
為達到上述目的，本發(fā)明主要提供如下技術(shù)方案：
一方面，本發(fā)明實施例提供了一種超高溫梯度隔熱材料，包括：
超高溫隔熱材料層，其位于高溫一側(cè)；
相變吸熱隔熱材料層，位于超高溫隔熱材料層的外側(cè)；
中溫隔熱層，位于相變吸熱隔熱材料層的外側(cè)；
低溫隔熱層，位于中溫隔熱層的外側(cè)；
輻射屏蔽層，分別設(shè)于超高溫隔熱材料層、相變吸熱隔熱材料層、中溫隔熱層和低溫隔熱層相鄰兩層之間以及設(shè)于低溫隔熱層的外側(cè)，所述輻射屏蔽層用于阻擋紅外輻射；
上述各層復(fù)合為一體。
作為優(yōu)選，所述超高溫隔熱材料層的材料為碳纖維/氧化鋯纖維超高溫隔熱材料、氧化鋯纖維超高溫隔熱材料、碳纖維氈或超細孔炭材料。
作為優(yōu)選，所述相變吸熱隔熱材料層的材料為氟化鎳高溫相變材料、氟化鎂相變材料或碳酸鹽中溫相變材料。
作為優(yōu)選，所述中溫隔熱層的材料為氧化鋁纖維隔熱材料、莫來石纖維隔熱材料、石英纖維隔熱材料、硅酸鈣隔熱材料或高硅氧纖維隔熱材料。
作為優(yōu)選，所述低溫隔熱層的材料為氧化硅氣凝膠隔熱材料、硅酸鋁纖維隔熱材料、巖棉或超細玻璃棉。
作為優(yōu)選，所述輻射屏蔽層的材料為鉬箔、鋁箔、石墨紙或金箔。
作為優(yōu)選，所述超高溫隔熱材料層厚度為2-20mm；所述相變吸熱隔熱材料層的厚度為2-10mm；所述中溫隔熱層的厚度為2-30mm；所述低溫隔熱層的厚度為2-40mm；所述輻射屏蔽層的厚度為0.01-0.5mm。
作為優(yōu)選，所述各層之間通過膠黏劑粘合，然后通過壓力成形和高溫處理復(fù)合為一體。
作為優(yōu)選，所述膠黏劑選自磷酸鋁系膠黏劑、磷酸鉻鋁系高溫粘結(jié)劑、鋁溶膠系膠黏劑和硅溶膠系中溫粘結(jié)劑。
作為優(yōu)選，所述超高溫隔熱材料層至相變吸熱隔熱層之間采用高溫粘結(jié)劑連接；相變吸熱隔熱層至最外側(cè)的輻射屏蔽層之間采用中溫粘結(jié)劑粘結(jié)。
另一方面，本發(fā)明實施例提供了一種上述任一種超高溫梯度隔熱材料的制備方法，包括如下步驟：
根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，利用傳熱理論確定各隔熱材料層的具體材料和厚度；
根據(jù)確定的材料制備相應(yīng)厚度的各隔熱材料層；
將各隔熱材料層采用膠黏劑連接起來，然后通過壓力成形和高溫處理復(fù)合為一體，得到超高溫組合隔熱材料。
作為優(yōu)選，各隔熱材料層復(fù)合為一體的步驟如下：
采用刷涂或噴涂，在各層之間涂覆粘結(jié)劑；
壓力成形的壓力范圍為0.1mpa～5mpa之間，高溫處理的溫度在50℃～400℃之間，處理時間為2h～24h。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
本發(fā)明實施例的超高溫梯度隔熱材料耐溫2300-2500k。防護使用時間可達2500秒。本發(fā)明生產(chǎn)周期短，約2～3周即可完成選材、制備及成型。本發(fā)明實施例的超高溫梯度隔熱材料在超高溫條件下原材料的選擇范圍更廣。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實施例的超高溫梯度隔熱材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，但不作為對本發(fā)明的限定。在下述說明中，不同的“一實施例”或“實施例”指的不一定是同一實施例。此外，一或多個實施例中的特定特征、結(jié)構(gòu)、或特點可由任何合適形式組合。
圖1是本發(fā)明實施例的超高溫梯度隔熱材料的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，超高溫梯度隔熱材料，結(jié)構(gòu)如下：
超高溫隔熱材料層1，其位于高溫一側(cè)；
相變吸熱隔熱材料層2，位于超高溫隔熱材料層1的外側(cè)；
中溫隔熱層3，位于相變吸熱隔熱材料層2的外側(cè)；
低溫隔熱層4，位于中溫隔熱層3的外側(cè)；
輻射屏蔽層5，分別設(shè)于超高溫隔熱材料層1、相變吸熱隔熱材料層2、中溫隔熱層3和低溫隔熱層4相鄰兩層之間，以及設(shè)于低溫隔熱層4的外側(cè)，輻射屏蔽層5用于阻擋紅外輻射；
上述各層復(fù)合為一體。
本發(fā)明實施例的超高溫組合隔熱材料考慮到將內(nèi)部的高于2200℃的高溫阻隔到外表面溫度低溫的要求，將接觸高溫端的一側(cè)設(shè)置為能夠經(jīng)受住2200℃的高溫的超高溫隔熱材料層，使其外側(cè)的溫度能夠降至1000℃以下。通過在超高溫隔熱材料層的外側(cè)設(shè)置相變吸熱隔熱材料層使溫度迅速降低，這樣再設(shè)置較低耐溫的隔熱材料層即可實現(xiàn)對超高溫的隔熱效果。并且通過設(shè)置輻射屏蔽層有效阻隔紅外輻射。本發(fā)明實施例中將多個隔熱材料層復(fù)合為一體形成新的隔熱材料，通過各層不同的耐溫性能和導(dǎo)熱率，在整體上達到既耐高溫，又具有低的平均導(dǎo)熱率，滿足整體隔熱要求。其中超高溫隔熱材料層耐溫達到3000℃；相變吸熱隔熱材料層耐溫在2000℃以下即可；中溫隔熱層耐溫在2000℃以下；低溫隔熱層耐溫在1400℃以下。這樣，外層的隔熱材料層就具有更多的可選擇性。
實施例1
根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，利用傳熱理論確定各隔熱材料層的具體材料和厚度；根據(jù)確定的材料制備相應(yīng)厚度的各隔熱材料層；將各隔熱材料層采用膠黏劑連接起來，得到超高溫組合隔熱材料。
通過上述步驟確定的超高溫組合隔熱材料的各層所用材料及厚度如下：超高溫隔熱材料層所用材料為碳纖維/氧化鋯纖維超高溫隔熱材料，厚度為2mm；相變吸熱隔熱材料層采用氟化鎂相變材料，厚度為2mm；中溫隔熱層所用材料為氧化鋁纖維隔熱材料，厚度為10mm；低溫隔熱層所用材料為氧化硅氣凝膠隔熱材料，厚度為15mm；輻射屏蔽層所用材料為鉬箔，厚度為0.02mm。其中超高溫隔熱材料層與相變吸熱隔熱材料層之間用磷酸鋁系高溫粘結(jié)劑粘結(jié)，相變吸熱隔熱層與中溫隔熱層之間、中溫隔熱層與低溫隔熱層之間以及低溫隔熱層與輻射屏蔽層之間采用鋁溶膠低溫粘結(jié)劑粘結(jié)。其中粘結(jié)劑采用刷涂或噴涂。采用加壓和高溫處理工藝將材料復(fù)合為一體，然后在0.1mpa～5mpa的壓力下壓力成形，成形后在50℃～400℃的溫度下進行高溫處理，處理時間為2h～24h。
實施例2
本實施例與實施例1不同在于，超高溫組合隔熱材料的各層所用材料及厚度如下：超高溫隔熱材料層的厚度為2mm；相變吸熱隔熱材料層的厚度為10mm；中溫隔熱層的厚度為30mm；低溫隔熱層所用材料為硅酸鋁纖維隔熱材料，厚度為40mm；輻射屏蔽層所用材料為鋁箔，厚度為0.01mm。其中超高溫隔熱材料層與相變吸熱隔熱材料層之間用磷酸鋁系高溫粘結(jié)劑粘結(jié)，相變吸熱隔熱層與中溫隔熱層之間、中溫隔熱層與低溫隔熱層之間以及低溫隔熱層與輻射屏蔽層之間采用硅溶膠低溫粘結(jié)劑粘結(jié)。
實施例3
本實施例與實施例1不同在于，超高溫組合隔熱材料的各層所用材料及厚度如下：超高溫隔熱材料層所用材料為氧化鋯纖維超高溫隔熱材料，厚度為2mm；相變吸熱隔熱材料層采用氟化鎳相變材料，厚度為10mm；中溫隔熱層所用材料為莫來石纖維隔熱材料，厚度為2mm；低溫隔熱層所用材料為氧化硅氣凝膠隔熱材料，厚度為2mm；輻射屏蔽層所用材料為金箔，厚度為0.1mm。其中超高溫隔熱材料層與相變吸熱隔熱材料層之間用磷酸鋁系高溫粘結(jié)劑粘結(jié)，相變吸熱隔熱層與中溫隔熱層之間、中溫隔熱層與低溫隔熱層之間以及低溫隔熱層與輻射屏蔽層之間采用鋁溶膠低溫粘結(jié)劑粘結(jié)。
實施例4
本實施例與實施例1不同在于，超高溫組合隔熱材料的各層所用材料及厚度如下：超高溫隔熱材料層所用材料為碳纖維/氧化鋯纖維超高溫隔熱材料，厚度為10mm；相變吸熱隔熱材料層采用氟化鎂相變材料，厚度為8mm；中溫隔熱層所用材料為氧化鋁纖維隔熱材料，厚度為10mm；低溫隔熱層所用材料為氧化硅氣凝膠隔熱材料，厚度為15mm；輻射屏蔽層所用材料為鉬箔，厚度為0.025mm。其中超高溫隔熱材料層與相變吸熱隔熱材料層之間用磷酸鋁系高溫粘結(jié)劑粘結(jié)，相變吸熱隔熱層與中溫隔熱層之間、中溫隔熱層與低溫隔熱層之間以及低溫隔熱層與輻射屏蔽層之間采用鋁溶膠低溫粘結(jié)劑粘結(jié)。
實施例5
本實施例與實施例1不同在于，超高溫組合隔熱材料的各層所用材料及厚度如下：超高溫隔熱材料層所用材料為碳纖維氈，厚度為10mm；相變吸熱隔熱材料層采用碳酸鹽相變材料，厚度為10mm；中溫隔熱層所用材料為石英纖維隔熱材料，厚度為10mm；低溫隔熱層所用材料為巖棉隔熱材料，厚度為2mm；輻射屏蔽層所用材料為石墨紙，厚度為0.2mm。其中超高溫隔熱材料層與相變吸熱隔熱材料層之間用磷酸鋁系高溫粘結(jié)劑粘結(jié)，相變吸熱隔熱層與中溫隔熱層之間、中溫隔熱層與低溫隔熱層之間以及低溫隔熱層與輻射屏蔽層之間采用硅溶膠低溫粘結(jié)劑粘結(jié)。
實施例6
本實施例與實施例1不同在于，超高溫組合隔熱材料的各層所用材料及厚度如下：超高溫隔熱材料層所用材料為超細孔炭材料，厚度為10mm；相變吸熱隔熱材料層采用氟化鎂相變材料，厚度為8mm；中溫隔熱層所用材料為硅酸鈣隔熱材料，厚度為5mm；低溫隔熱層所用材料為巖棉隔熱材料，厚度為40mm；輻射屏蔽層所用材料為石墨紙，厚度為0.3mm。其中超高溫隔熱材料層與相變吸熱隔熱材料層之間用磷酸鋁系高溫粘結(jié)劑粘結(jié)，相變吸熱隔熱層與中溫隔熱層之間、中溫隔熱層與低溫隔熱層之間以及低溫隔熱層與輻射屏蔽層之間采用硅溶膠低溫粘結(jié)劑粘結(jié)。
實施例7
本實施例與實施例1不同在于，超高溫組合隔熱材料的各層所用材料及厚度如下：超高溫隔熱材料層所用材料為碳纖維氈，厚度為40mm；相變吸熱隔熱材料層采用碳酸鹽相變材料，厚度為10mm；中溫隔熱層所用材料為高硅氧纖維隔熱材料，厚度為6mm；低溫隔熱層所用材料為超細玻璃棉隔熱材料，厚度為20mm；輻射屏蔽層所用材料為鋁箔，厚度為0.03mm。其中超高溫隔熱材料層與相變吸熱隔熱材料層之間用磷酸鋁系高溫粘結(jié)劑粘結(jié)，相變吸熱隔熱層與中溫隔熱層之間、中溫隔熱層與低溫隔熱層之間以及低溫隔熱層與輻射屏蔽層之間采用鋁溶膠低溫粘結(jié)劑粘結(jié)。
實施例8
本實施例與實施例1不同在于，超高溫組合隔熱材料的各層所用材料及厚度如下：超高溫隔熱材料層所用材料為氧化鋯纖維超高溫隔熱材料，厚度為10mm；相變吸熱隔熱材料層采用氟化鎂相變材料，厚度為8mm；中溫隔熱層所用材料為氧化鋁纖維隔熱材料，厚度為10mm；低溫隔熱層所用材料為硅酸鋁纖維隔熱材料，厚度為20mm；輻射屏蔽層所用材料為金箔，厚度為0.03mm。其中各層之間均用磷酸鋁系高溫粘結(jié)劑粘結(jié)。
實施例9
本實施例與實施例1不同在于，超高溫組合隔熱材料的各層所用材料及厚度如下：超高溫隔熱材料層所用材料為超細孔炭材料，厚度為10mm；相變吸熱隔熱材料層采用氟化鎳相變材料，厚度為10mm；中溫隔熱層所用材料為硅酸鈣隔熱材料，厚度為5mm；低溫隔熱層所用材料為氧化硅氣凝膠隔熱材料，厚度為20mm；輻射屏蔽層所用材料為鉬箔，厚度為0.1mm。其中超高溫隔熱材料層與相變吸熱隔熱材料層之間用磷酸鋁系高溫粘結(jié)劑粘結(jié)，相變吸熱隔熱層與中溫隔熱層之間、中溫隔熱層與低溫隔熱層之間以及低溫隔熱層與輻射屏蔽層之間采用硅溶膠低溫粘結(jié)劑粘結(jié)。
實施例10
本實施例與實施例1不同在于，超高溫組合隔熱材料的各層所用材料及厚度如下：超高溫隔熱材料層所用材料為氧化鋯纖維超高溫隔熱材料，厚度為10mm；相變吸熱隔熱材料層采用氟化鎂相變材料，厚度為8mm；中溫隔熱層所用材料為硅酸鈣隔熱材料，厚度為5mm；低溫隔熱層所用材料為巖棉隔熱材料，厚度為40mm；輻射屏蔽層所用材料為石墨紙，厚度為0.1mm。其中超高溫隔熱材料層與相變吸熱隔熱材料層之間用磷酸鋁系高溫粘結(jié)劑粘結(jié)，相變吸熱隔熱層與中溫隔熱層之間、中溫隔熱層與低溫隔熱層之間以及低溫隔熱層與輻射屏蔽層之間采用鋁溶膠低溫粘結(jié)劑粘結(jié)。
上述實施例中各隔熱材料層的制備過程如下：
其中碳纖維/氧化鋯纖維超高溫隔熱材料或氧化鋯纖維超高溫隔熱材料加去離子水混合攪拌進行纖維分散，然后抽濾成形和高溫?zé)崽幚淼玫?。超細孔炭材料纖維與燒結(jié)助劑共混、高溫?zé)Y(jié)得到。碳纖維氈通過碳纖維編織成毯，或有機先驅(qū)體制備后發(fā)泡或超臨界干燥等。
相變吸熱隔熱材料層的制備：相變物質(zhì)的熔煉，熔煉后得到的相變顆粒的粉碎，粉碎后的相變材料與基體材料和增強纖維共混，然后經(jīng)過壓力成形，高溫?zé)Y(jié)即得。
中溫隔熱層的制備：纖維用去離子水分散，抽濾成形，高溫?zé)崽幚淼玫剑騽討B(tài)水熱合成料漿后壓濾、干燥成形得到。
低溫隔熱層的制備可采用與中溫隔熱層相同的方法。
本發(fā)明實施例中，碳纖維/氧化鋯纖維超高溫隔熱材料制成的超高溫隔熱材料層為半剛性材料，耐溫2500℃，密度為0.2-1.2g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.02-0.2w/m·k；氧化鋯纖維超高溫隔熱材料制成的超高溫隔熱材料層為剛性材料，耐溫2500℃，密度為0.2-1.8g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.02-0.2w/m·k；碳纖維氈制成的超高溫隔熱材料層為柔性材料，耐溫3000℃，密度為0.1-1.2g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.05-0.5w/m·k；超細孔炭材料制成的超高溫隔熱材料層為剛性材料，耐溫3000℃，密度為0.1-1.2g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.05-0.5w/m·k。氟化鎂相變材料、氟化鎳相變材料及碳酸鹽相變材料制成的相變吸熱隔熱材料層，密度為0.2-3.0g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.05-0.5w/m·k。中溫隔熱層所用材料為氧化鋁纖維隔熱材料、莫來石纖維隔熱材料、石英纖維隔熱材料、硅酸鈣隔熱材料以及高硅氧纖維隔熱材料等，可以是剛性材料，也可以是柔性材料。低溫隔熱層所用材料為氧化硅氣凝膠隔熱材料、硅酸鋁纖維隔熱材料、巖棉以及超細玻璃棉等，可以是剛性材料，也可以是柔性材料。鉬箔，鋁箔，石墨紙或金箔等為一定幅寬的箔片材料，厚度為0.01-0.5mm。
本發(fā)明實施例的超高溫組合隔熱材料的性能指標(biāo)見下表1。其中隔熱性能參照gb/t17911.3-1999耐火陶瓷纖維制品體積密度試驗方法，yb/t4130-2005水流量平板法。
表1
通過表1可以看出，本發(fā)明實施例的超高溫組合隔熱材料整體具有較高的隔熱性，并且通過合理設(shè)置層結(jié)構(gòu)，其外層的隔熱材料就具有更多的可選擇性，無論從原料取得及成本等方面均有較大的優(yōu)勢。本發(fā)明實施例的超高溫組合隔熱材料整體表現(xiàn)為半剛性，密度為0.20-2.0g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.02w/m·k-0.12w/m·k，耐溫最高可達2200℃。防護使用時間可達2500秒。
以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。