一種具有泡沫-粉末夾芯結構的高溫隔熱復合材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有泡沫?粉末夾芯結構的高溫隔熱復合材料，其特征在于由芯材、陶瓷基復合材料殼層和粘結層構成，芯材為陶瓷粉末填充的多孔陶瓷泡沫，所填充的陶瓷粉末具有多層結構，由上至下依次為碳化硅層、單斜相氧化鋯層、α相氧化鋁層、單斜相氧化鋯層和氧化硅層，陶瓷基復合材料殼層為碳纖維增強的碳化硅陶瓷基復合材料、碳化硅纖維增強的碳化硅陶瓷基復合材料，粘結層位于殼層和芯材之間。該材料導熱系數(shù)低，能夠在超高溫度(≤2000℃)環(huán)境下使用，隨著溫度的升高材料導熱系數(shù)變化不明顯，且充分考慮各組分粉體優(yōu)點進行結構化設計，使得復合材料的隔熱性能達到最優(yōu)。
【專利說明】
一種具有泡沬-粉末夾芯結構的高溫隔熱復合材料
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種復合材料，特別是涉及一種具有泡沫-粉末夾芯結構的高溫隔熱復合材料。
【背景技術】
[0002]剛性隔熱瓦作為美國航天飛機大面積熱防護材料，其有效性和可靠性已經被廣泛證實。隔熱瓦性能改進后，不斷在X-43A、X-37B、X-51A等高超聲速飛行器上得到應用。剛性隔熱材料由互相搭接的纖維形成的多孔結構，具有密度小、熱導率低、力學性能相對較高、綜合性能好等優(yōu)點。但是由于陶瓷纖維耐溫性能差，因此使用溫度局限在I 200°C以下。近年來，各國正在研制開發(fā)新型的熱防護系統(tǒng)。一種陶瓷泡沫芯材作為熱防護芯材廣泛應用于航天飛行器，美國John H等人的一篇《Improved Fabricat1n of Ceramic MatrixComposite/Foam Core Integrated Structures》報道了C/SiC復合材料夾層碳化娃泡沫用作熱防護層。但是由于碳化硅泡沫芯材空隙較大，在高溫下熱輻射傳熱占主導作用，導熱系數(shù)隨著溫度的上升迅速增大，導致材料必須很厚才能起到隔熱效果。
[0003]本發(fā)明通過陶瓷粉末填充陶瓷泡沫中的空隙，降低保溫芯材中的空隙大小，將原陶瓷泡沫中大孔變?yōu)槲⒖?，能夠有效降低材料在高溫下的輻射傳熱影響，從而使得該保溫材料在高溫下依然具有較低的熱導率。在本發(fā)明所填充的粉體中最上層為碳化硅粉體層，由于最上層溫度最高，碳化硅熔點在2700°C，且其高溫下穩(wěn)定，具有優(yōu)異的紅外吸收/反射特性，將其用于最上層將充分吸收并反射紅外輻射。單斜相氧化鋯層正是利用其在高溫下相變收縮特性(單斜相ZrO2在1000 °C下轉變成四方相氧化鋯且伴隨著3-5 %體積收縮)使得其在高溫下形成一層薄薄的空氣層，增大熱阻，阻隔熱量傳遞，大大降低其導熱系數(shù)。α相氧化鋁層具有熱力學穩(wěn)定性，且其熱導率低，將其作為中間層保溫。由于氧化硅本身具有極低的熱導率，其熔點為1600°C，故采用氧化硅層作為最底層，實現(xiàn)材料結構優(yōu)化。此種結構設計將大大減少材料的厚度，節(jié)省體積空間，提高隔熱效能。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術問題是克服上述缺陷，提供了一種具有夾層結構的高溫隔熱復合材料。
[0005]為實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術方案是:一種具有泡沫-粉末夾芯結構的高溫隔熱復合材料，其特征在于由芯材、陶瓷基復合材料殼層和粘結層構成，芯材為陶瓷粉末填充的多孔陶瓷泡沫，所填充的陶瓷粉末具有多層結構，由上至下依次為碳化硅層、單斜相氧化鋯層、α相氧化鋁層、單斜相氧化鋯層和氧化硅層，其中碳化硅層中顆粒直徑為1_30μπι，孔隙率為20 %-40%,碳化硅層厚度為3-6mm，氧化鋯層中顆粒直徑為1_10μπι，孔隙率為10 % -30%，氧化鋯層厚度為0.5-2mm，氧化鋁層中顆粒直徑為1_30μπι，孔隙率為20%~40% ,氧化鋁層厚度為2-4mm，氧化硅層中顆粒直徑為1-30μπι，孔隙率為20%-40%，氧化硅層厚度為4-l0mm，陶瓷基復合材料殼層為碳纖維增強的碳化硅陶瓷基復合材料、碳化硅纖維增強的碳化硅陶瓷基復合材料，陶瓷基復合材料殼層厚度為3?20mm，粘結層位于殼層和芯材之間，成分為碳化硅，粘結層厚度為50-1000μπι。
[0006]本發(fā)明優(yōu)點在于:1.導熱系數(shù)低，能夠在超高溫(彡2000°C)環(huán)境下使用，隨著溫度的升高材料導熱系數(shù)變化不明顯；2.充分考慮各組分粉體優(yōu)點進行結構化設計，碳化硅粉體層用于對紅外輻射吸收/反射，氧化鋯層高溫相變收縮形成空氣熱阻，大大降低材料的熱導率，利用氧化鋁和氧化硅的低熱導率達到熱量的最終阻隔，使得復合材料的隔熱性能達到最優(yōu)。
【附圖說明】
[0007]圖1為一種具有泡沫-粉末夾芯結構的高溫隔熱復合材料截面圖。
[0008][10]為陶瓷基復合材料外殼層，[20]為粘結層，[30]為碳化硅層，[40]為單斜相氧化鋯層，[50 ]為α相氧化鋁層，[60 ]為氧化硅層
【具體實施方式】
[0009]下面結合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定。
[0010]實施例一
[0011]參照圖1，一種具有泡沫-粉末夾芯結構的高溫隔熱復合材料，其特征在于由芯材、陶瓷基復合材料殼層和粘結層構成，[10]為陶瓷基復合材料外殼層，[20]為粘結層，[30]為碳化硅層，[40 ]為單斜相氧化鋯層，[50 ]為α相氧化鋁層，[60 ]為氧化硅層，其中碳化硅層中顆粒直徑為ΙΟμπι，孔隙率為30%，碳化硅層厚度為3mm，氧化鋯層中顆粒直徑為Ιμπι，孔隙率為20%，氧化鋯層厚度為1mm，氧化鋁層中顆粒直徑為ΙΟμπι，孔隙率為35%，氧化鋁層厚度為2mm，氧化硅層中顆粒直徑為20μπι，孔隙率為40%，氧化硅層厚度為5mm，陶瓷基復合材料殼層為碳化硅纖維增強的碳化硅陶瓷基復合材料，陶瓷基復合材料殼層厚度為5_，粘結層位于殼層和芯材之間，成分為碳化娃，粘結層厚度為500μηι。
[0012]實施例二
[0013]參照圖1，一種具有泡沫-粉末夾芯結構的高溫隔熱復合材料，其特征在于由芯材、陶瓷基復合材料殼層和粘結層構成，[10]為陶瓷基復合材料外殼層，[20]為粘結層，[30]為碳化硅層，[40 ]為單斜相氧化鋯層，[50 ]為α相氧化鋁層，[60 ]為氧化硅層，其中碳化硅層中顆粒直徑為3μπι，孔隙率為20%，碳化硅層厚度為6_，氧化鋯層中顆粒直徑為2μπι，孔隙率為25%，氧化鋯層厚度為2mm，氧化鋁層中顆粒直徑為3μπι，孔隙率為30%，氧化鋁層厚度為4_，氧化硅層中顆粒直徑為5μπι，孔隙率為35%，氧化硅層厚度為8_，陶瓷基復合材料殼層為碳纖維增強的碳化硅陶瓷基復合材料，陶瓷基復合材料殼層厚度為8mm，粘結層位于殼層和芯材之間，成分為碳化娃，粘結層厚度為800μηι。
【主權項】
1.一種具有泡沫-粉末夾芯結構的高溫隔熱復合材料，其特征在于由芯材、陶瓷基復合材料殼層和粘結層構成，芯材為陶瓷粉末填充的多孔陶瓷泡沫，所填充的陶瓷粉末具有多層結構，由上至下依次為碳化硅層、單斜相氧化鋯層、α相氧化鋁層、單斜相氧化鋯層和氧化硅層，其中碳化硅層中顆粒直徑為1_30μπι，孔隙率為20%-40%，碳化硅層厚度為3-6mm，氧化鋯層中顆粒直徑為1-10μπι，孔隙率為10%-30%，氧化鋯層厚度為0.5-2mm，氧化鋁層中顆粒直徑為1-30μπι，孔隙率為20%-40%，氧化鋁層厚度為2-4mm，氧化硅層中顆粒直徑為1-30μπι，孔隙率為20%-40%，氧化硅層厚度為4-10mm，陶瓷基復合材料殼層為碳纖維增強的碳化硅陶瓷基復合材料、碳化硅纖維增強的碳化硅陶瓷基復合材料，陶瓷基復合材料殼層厚度為3?20mm，粘結層位于殼層和芯材之間，成分為碳化娃，粘結層厚度為50-1000μηι。
【文檔編號】B32B9/00GK106003885SQ201610281552
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】陳照峰, 汪洋, 余盛杰, 潘影
【申請人】蘇州派歐技術咨詢服務有限公司