使用氣凝膠的絕熱結(jié)構(gòu)體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及可用于航空器、車輛等的使用氣凝膠的絕熱結(jié)構(gòu)體。
【背景技術(shù)】
[0002]作為絕熱體，已知有泡沫材料如聚氨酯泡沫和酚醛泡沫(基于泡沫的絕熱體)。所述泡沫材料由通過發(fā)泡所產(chǎn)生的它們的氣泡而發(fā)揮絕熱特性。然而，所述聚氨酯泡沫和酚醛泡沫一般具有比空氣的導熱率高的導熱率。因此，有利的是使所述絕熱體的導熱率低于空氣的導熱率，用于進一步改善絕熱特性。作為實現(xiàn)使所述導熱率低于空氣的導熱率的方法，已知的方法有:用具有低導熱率的氣體(例如氯氟烴)填充發(fā)泡材料(例如聚氨酯泡沫和酚醛泡沫)的空氣間隙等。然而，這種用氣體填充空氣間隙的方法有一個值得關(guān)注的問題:填充的氣體可能隨著時間從空氣間隙泄露，這可能造成導熱率的增加。
[0003]近年來，已提出了用于改善絕熱特性的基于真空的方法。在所述方法中，例如使用硅酸鈣和/或玻璃纖維的多孔材料，將它們放入氣密袋中并使它們維持在約1Pa的真空狀態(tài)。然而，這種基于真空的絕熱方法需要維持真空狀態(tài)，因此在經(jīng)時劣化(temporaldeter1rat1n)和生產(chǎn)成本方面具有問題。此外，在基于真空的絕熱體中，因為其需要維持真空狀態(tài)，所以所述絕熱體的形狀受到限制，并因此嚴重限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。因此，基于真空的絕熱體已在實際使用中受到限制。
[0004]就此而言，專利文獻I公開了具有泡沫層充當絕熱體的航空器的機身結(jié)構(gòu)部件(body structure)，作為用于航空器等的機體(vehicle body)的具有高強度的絕熱結(jié)構(gòu)體。然而，在所述專利文獻中所公開的結(jié)構(gòu)體中，絕熱層由樹脂泡沫材料制成并且具有差的絕熱特性，因此需要增加絕熱層的厚度以實現(xiàn)絕熱效果。此外，絕熱層通過噴射在框架上形成，因此當絕熱層的絕熱特性減小時難以更換所述絕熱層。
[0005]引用文獻列表
[0006]專利文獻
[0007]專利文獻I JP 2010-516537 A
[0008]專利文獻2:US 4402927
[0009]專利文獻3:US 4432956
[0010]專利文獻4:US 4610863

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]技術(shù)問題
[0012]順便說下，已知有微細多孔二氧化硅(所謂的氣凝膠)的聚集體作為用于在常壓下其導熱率低于空氣的導熱率的絕熱體的材料。該材料可通過例如US 4402927、US4432956和US 4610863中所公開的方法獲得。根據(jù)這些方法，二氧化硅氣凝膠可通過使用烷氧基硅烷(其也被稱為“硅醇鹽”和“硅酸烷基酯”)作為原料來制備。特別是，二氧化硅氣凝膠可通過以下步驟獲得:在溶劑的存在下水解烷氧基硅烷，由于縮合聚合而制備具有二氧化硅骨架的濕潤狀態(tài)的凝膠狀化合物；以及在超臨界條件下干燥所述濕潤狀態(tài)的凝膠狀化合物，所述超臨界條件不小于溶劑的臨界點。作為溶劑，例如可使用液化二氧化碳等。
[0013]氣凝膠顆粒為氣凝膠的顆粒材料，具有低于空氣的導熱率的導熱率，其可成形為各種形狀并且易于處理，因此可用作絕熱體的原材料。因此，可通過用粘合劑粘結(jié)氣凝膠顆粒而使用所述氣凝膠顆粒作為絕熱體的材料。
[0014]然而，氣凝膠顆粒的重量十分輕，強度差，并且脆。因為氣凝膠顆粒本身脆，所以通過模制所述氣凝膠顆粒而形成的絕熱體具有差的強度，易于破裂、脫落或破碎。特別是，當氣凝膠顆粒用作航空器、車輛、船舶、宇宙飛船等的機體的材料時，氣凝膠成型體(compact)易于受損，因此可能導致絕熱特性方面的缺陷或降低。為了提高強度，可能要將增強材料加入到氣凝膠等中或者增加粘合劑的用量。然而，在這種情況下，所加入的增強材料或增加的粘合劑用量可能造成絕熱特性的降低?？紤]到以上情況，需要提高絕熱體的強度同時防止其絕熱特性的劣化以同時滿足足夠的強度和絕熱特性兩方面的要求。
[0015]鑒于以上情形完成了本發(fā)明，本發(fā)明的目的為提出一種強度較高并且絕熱特性優(yōu)異的絕熱結(jié)構(gòu)體。
[0016]解決問題的技術(shù)方案
[0017]根據(jù)本發(fā)明的絕熱結(jié)構(gòu)體包含:氣凝膠層，其包含氣凝膠顆粒、粘合劑和纖維；以及保持材料(retainer)，其提供于所述氣凝膠層的至少一個面上并且包含纖維狀物質(zhì)(fiber material)和粘結(jié)劑用樹脂(binder resin)。所述纖維中的每一個均為所述保持材料中所包含的所述纖維狀物質(zhì)之一的一部分。
[0018]優(yōu)選氣凝膠層中所包含的粘合劑與保持材料中所包含的粘結(jié)劑用樹脂在所述氣凝膠層和所述保持材料之間的界面處彼此混合。
[0019]優(yōu)選纖維狀物質(zhì)為碳纖維。
[0020]優(yōu)選氣凝膠層的一個面上提供有保持材料，并且氣凝膠層的另一個面上提供有纖維片材(sheet) ο
[0021 ] 優(yōu)選以沿氣凝膠層延伸的方式使隔熱層成形。
[0022]優(yōu)選保持材料上提供有用于安裝于結(jié)構(gòu)物上的安裝(attachment)結(jié)構(gòu)。
[0023]優(yōu)選壓縫條部件(fillet part)位于氣凝膠層與保持材料之間的界面(boundary)處。
[0024]優(yōu)選壓縫條部件具有多孔結(jié)構(gòu)。
[0025]發(fā)明的有益效果
[0026]根據(jù)本發(fā)明，氣凝膠層通過包含纖維狀物質(zhì)的保持材料增強，因此可獲得強度較高并且絕熱特性優(yōu)異的絕熱結(jié)構(gòu)體。
【附圖說明】
[0027]圖1為示例說明了絕熱結(jié)構(gòu)體的一個實施方案的一個實例的截面示意圖。
[0028]圖2為示例說明了絕熱結(jié)構(gòu)體的一個實施方案的一個實例的局部放大截面示意圖。
[0029]圖3為示例說明了絕熱結(jié)構(gòu)體的另一個實施方案的一個實例的截面示意圖。
[0030]圖4A為示例說明了絕熱結(jié)構(gòu)體的另一個實施方案的一個實例的截面示意圖并且示例說明了該實施方案的整體。
[0031]圖4B為示例說明了絕熱結(jié)構(gòu)體的上述實施方案的一個實例的截面示意圖并且示例說明了該實施方案的結(jié)構(gòu)體的放大部分。
[0032]圖5A為用于解釋說明絕熱結(jié)構(gòu)體的截面圖。
[0033]圖5B為用于解釋說明絕熱結(jié)構(gòu)體的截面圖。
[0034]圖5C為用于解釋說明絕熱結(jié)構(gòu)體的截面圖。
[0035]圖6A為示例說明氣凝膠顆粒的實例的示意圖。
[0036]圖6B為示例說明氣凝膠顆粒的實例的示意圖。
[0037]圖6C為示例說明氣凝膠顆粒的實例的示意圖。
[0038]圖7為氣凝膠顆粒的電子顯微鏡照片。
【具體實施方式】
[0039]氣凝膠為多孔材料(多孔體)并且通過干燥凝膠以便用氣體代替凝膠中所包含的溶劑而獲得。氣凝膠的顆粒材料被稱為氣凝膠顆粒。氣凝膠的已知實例包括二氧化硅氣凝膠、碳氣凝膠和氧化鋁氣凝膠，其中優(yōu)選使用二氧化硅氣凝膠。二氧化硅氣凝膠具有優(yōu)異的絕熱特性，易于制備，生產(chǎn)成本低，因此與其它類型的氣凝膠相比更易于獲得。注意，通過將凝膠中的溶劑完全蒸發(fā)而制備的具有含空氣間隙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的材料可被稱為“干凝膠”，但本申請說明書的氣凝膠可包括該干凝膠。
[0040]圖6A至6C示出了氣凝膠顆粒的一個實例的示意圖。如圖6A和6B中所示，氣凝膠顆粒A為二氧化硅氣凝膠顆粒，并且為具有尺寸為約幾十納米(例如，在20至40nm的范圍內(nèi))的孔的二氧化硅(S12)結(jié)構(gòu)。所述氣凝膠顆粒A可通過超臨界干燥等獲得。氣凝膠顆粒A通過彼此粘結(jié)以形成三維網(wǎng)狀的微細的微粒P ( 二氧化硅微粒)構(gòu)成。一個二氧化硅微粒的尺寸為例如約I至2nm。如圖6C中所示，使氣體G進入氣凝膠顆粒A的尺寸為約幾十納米的孔內(nèi)。這些孔阻止了空氣中的組分(例如氮氣和氧氣)的轉(zhuǎn)移，因此可將導熱率降低至低于空氣的導熱率的程度。例如，提供有空氣的常規(guī)絕熱體具有35至45mW/m.Κ的導熱率(WLF) λ，但是通過氣凝膠顆粒A可將絕熱體的導熱率(WLF) λ降低至約9至12mW/m-Ko典型地，氣凝膠顆粒A具有疏水特性。例如，在圖6B中所示的二氧化硅氣凝膠顆粒中，硅原子(Si)中的大多數(shù)鍵合至一個或多個烷基(甲基，CH3),并且其中的少數(shù)鍵合至一個或多個羥基(OH)。因此這種二氧化硅氣凝膠顆粒具有比較低的表面極性。
[0041]圖7是二氧化硅氣凝膠顆粒的電子顯微鏡照片。該二氧化硅氣凝膠顆粒通過超臨界干燥方法獲得。由該照片還可理解二氧化硅氣凝膠顆粒具有三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。氣凝膠顆粒A的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)通常由線性粘結(jié)的尺寸小于1nm的二氧化硅微粒形成。注意，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可能具有模糊的微粒間邊界，所述網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的某一部分可由線性延伸的二氧化硅結(jié)構(gòu)(-O-S1-O-)形成。
[0042]用于絕熱結(jié)構(gòu)體的氣凝膠顆粒不受特別的限制，可使用通過通常使用的生產(chǎn)方法獲得的氣凝膠顆粒。氣凝膠顆粒的典型實例包括:通過超臨界干燥方法獲得的氣凝膠顆粒；以及通過常壓干燥方法獲得的氣凝膠顆粒。
[0043]通過超臨界干燥方法獲得的氣凝膠顆粒可通過以下步驟獲得:將原料通過溶膠-凝膠方法(其為液相反應(yīng)方法)聚合而制備二氧化硅顆粒；以及通過超臨界干燥移除其溶劑。例如，使用烷氧基硅烷(其也被稱為“硅醇鹽”或“硅酸烷基酯”)作為原料。在溶劑的存在下水解烷氧基硅烷，由于縮合聚合而產(chǎn)生具有二氧化硅骨架的濕潤狀態(tài)的凝膠狀化合物，并隨后將該濕潤狀態(tài)的凝膠狀化合物在超臨界條件下干燥，其中所述超臨界條件的溫度和壓力等于或大于所述溶劑的臨界點的溫度和壓力。溶劑可為醇、液化二氧化碳等。通過將凝膠化合物在超臨界條件下干燥，移除其溶劑同時維持凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)果可獲得氣凝膠。氣凝膠顆粒(其為氣凝膠的顆粒材料)可通過將含溶劑的凝膠粉碎成顆粒、以及其后通過超