超高溫梯度隔熱材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 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)】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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重的缺點。
[0005] 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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 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。
[0007] 為達到上述目的，本發(fā)明主要提供如下技術(shù)方案：
[0008] 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：
[0009] 超高溫隔熱材料層，其位于高溫一側(cè)；
[0010] 相變吸熱隔熱材料層，位于超高溫隔熱材料層的外側(cè)；
[0011] 中溫隔熱層，位于相變吸熱隔熱材料層的外側(cè)；
[0012] 低溫隔熱層，位于中溫隔熱層的外側(cè)；
[0013] 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；
[0014] 上述各層復合為一體。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 作為優(yōu)選，所述超高溫隔熱材料層厚度為2-20_ ;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;所述福 射屏蔽層的厚度為〇. 01-0. 5mm。
[0021] 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合為 一體。
[0022] 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。
[0023] 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)。
[0024] 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：
[0025] 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；
[0026] 根據(jù)確定的材料制備相應(yīng)厚度的各隔熱材料層；
[0027] 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合為一 體，得到超高溫組合隔熱材料。
[0028] 作為優(yōu)選，各隔熱材料層復合為一體的步驟如下：
[0029] 采用刷涂或噴涂，在各層之間涂覆粘結(jié)劑；
[0030] 壓力成形的壓力范圍為0?IMPa?5MPa之間，高溫處理的溫度在50°C?400°C之 間，處理時間為2h?24h。
[0031] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0032] 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】
[0033] 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】
[0034] 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。
[0035] 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：
[0036] 超高溫隔熱材料層1，其位于高溫一側(cè)；
[0037] 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)；
[0038] 中溫隔熱層3,位于相變吸熱隔熱材料層2的外側(cè)；
[0039] 低溫隔熱層4,位于中溫隔熱層3的外側(cè)；
[0040] 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；
[0041] 上述各層復合為一體。
[0042] 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°C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°C的高溫的超高溫隔 熱材料層，使其外側(cè)的溫度能夠降至l〇〇〇°C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熱率，在整體上達到 既耐高溫，又具有低的平均導熱率，滿足整體隔熱要求。其中超高溫隔熱材料層耐溫達到 3000°C;相變吸熱隔熱材料層耐溫在2000°C以下即可；中溫隔熱層耐溫在2000°C以下；低 溫隔熱層耐溫在1400°C以下。這樣，外層的隔熱材料層就具有更多的可選擇性。
[0043] 實施例1
[0044] 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。
[0045] 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 1〇_ ;低溫隔熱層所用材料為氧化硅氣凝膠隔熱材料，厚度為15_ ;輻射屏蔽層所用材料 為鉬箔，厚度為〇. 〇2_。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合為一體，然后在〇?IMPa?5MPa的壓力下壓力成形，成形 后在50°C?400°C的溫度下進行高溫處理，處理時間為2h?24h。
[0046] 實施例2
[0047] 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2_ ;相變吸熱隔熱材料層的厚度為10_ ;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，厚度為〇. 〇1_。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)。
[0048] 實施例3
[0049] 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2_ ;相變吸熱隔熱 材料層采用氟化鎳相變材料，厚度為1〇_ ;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，厚度為〇. 1_。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)。
[0050] 實施例4
[0051] 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1〇_ ;相變 吸熱隔熱材料層采用氟化鎂相變材料，厚度為8_ ;中溫隔熱層所用材料為氧化鋁纖維隔 熱材料，厚度為1〇_ ;低溫隔熱層所用材料為氧化硅氣凝膠隔熱材料，厚度為15_ ;輻射屏 蔽層所用材料為鉬箔，厚度為〇.〇25_。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)。
[0052] 實施例5
[0053] 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