縫合層狀柔性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，尤其涉及一種縫合層狀柔性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)的發(fā)展，飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的使用溫度不斷提高，內(nèi)部控 制電路和金屬材質(zhì)構(gòu)件的熱防護(hù)顯得尤為重要。陶瓷纖維具有低密度、高比強(qiáng)、抗氧化和耐 高溫等優(yōu)點(diǎn)，采用該類(lèi)材料制備新型隔熱材料日益成為研宄的熱點(diǎn)。氧化鋁纖維是高性能 陶瓷纖維的一種，主要成分為Al 2O3，以短纖、長(zhǎng)纖、晶須等形式存在，具有高模量、高強(qiáng)度、高 熔點(diǎn)、耐高溫氧化性和低導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn)。與碳纖維相比，具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能，能 夠在高溫使用過(guò)程中保持較高的抗拉強(qiáng)度；與碳化硅纖維相比，氧化鋁纖維原料成本較低， 生產(chǎn)工藝較為簡(jiǎn)單，具有優(yōu)異的性?xún)r(jià)比；此外，氧化鋁纖維表面活性較高，易于與金屬、陶瓷 基體復(fù)合。這些優(yōu)點(diǎn)使氧化鋁纖維廣泛應(yīng)用于航空、航天高溫?zé)岱雷o(hù)工程領(lǐng)域。
[0003] 目前，根據(jù)飛行器耐高溫要求和熱端部件具體結(jié)構(gòu)，主要選用纖維紙、纖維氈、纖 維墊、纖維板等單一的氧化鋁纖維制品或多種成分復(fù)合制備剛性或柔性隔熱材料來(lái)進(jìn)行隔 熱防護(hù)；另外，通過(guò)在纖維表面鍍金屬或高溫?zé)o機(jī)膠的黏合來(lái)實(shí)現(xiàn)多層氧化鋁纖維與石墨、 鉬、金等材料一起使用，以減少高溫條件下的熱輻射。其中，纖維表面鍍金或鍍鉑工藝較為 復(fù)雜，成本較高且熱輻射幅度降低有限；采用高溫?zé)o機(jī)膠黏合的氧化鋁纖維復(fù)合金屬層制 品（通常為二維層合板結(jié)構(gòu)），在升溫過(guò)程，一定的沖擊載荷的作用下，由于不同種材料之 間熱膨脹系數(shù)的差異，致使氧化鋁纖維層與其它材料層之間產(chǎn)生應(yīng)力集中，構(gòu)件出現(xiàn)層間 開(kāi)裂，并逐漸向?qū)觾?nèi)擴(kuò)展，使隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)升高，降低了制品的隔熱防護(hù)能力。
[0004] 縫合復(fù)合材料是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型三維層板結(jié)構(gòu)，通過(guò)縫合線(xiàn) (如玻璃纖維、碳纖維、Kevlar纖維紗線(xiàn)等）穿過(guò)層板厚度Z向縫合，將各個(gè)輔層聯(lián)成一個(gè) 整體，可以有效提高復(fù)合材料層間強(qiáng)度及斷裂韌性。在低速?zèng)_擊條件下，縫合減小了面板破 壞面積，抑制了面板與泡沫分層面積的擴(kuò)展，提高了復(fù)合材料的抗熱沖擊性能。以上所述縫 合復(fù)合材料多用于常溫或是中低溫服役條件下，尚沒(méi)有用于進(jìn)行1600°C的熱防護(hù)的縫合復(fù) 合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供一種縫合層狀柔性隔熱材料及其制備方法，主要目 的是提高抗高溫氧化和隔熱性能，各層之間具有較強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明主要提供如下技術(shù)方案：
[0007] -方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種縫合層狀柔性隔熱材料，包括：
[0008] 氧化鋁纖維-石墨復(fù)合層，由氧化鋁纖維紙與石墨紙間隔設(shè)置，各層之間粘結(jié)而 成；
[0009] 碳纖維布，分別設(shè)于氧化鋁纖維-石墨復(fù)合層的兩面；
[0010] 所述碳纖維布與氧化鋁纖維-石墨復(fù)合層通過(guò)碳纖維繩縫合為一個(gè)整體。
[0011] 作為優(yōu)選，所述氧化鋁纖維紙與石墨紙之間利用固含量為15?40wt%的磷酸鋁 溶液粘結(jié)而成。
[0012] 作為優(yōu)選，所述氧化鋁纖維紙與石墨紙粘結(jié)后，通過(guò)施加壓力得到需要的厚度，并 在120°C下熱處理2h。
[0013] 作為優(yōu)選，所述碳纖維布與氧化鋁纖維-石墨復(fù)合層通過(guò)碳纖維繩縫合為一個(gè)整 體后，在100?120°C下熱處理12h。
[0014] 作為優(yōu)選，所述氧化鋁纖維紙通過(guò)如下步驟獲得：
[0015] 以氧化鋁纖維（Al2O3)為原料，與去離子水混合，高速攪拌得到氧化鋁纖維漿料；
[0016] 對(duì)混合漿料進(jìn)行抽慮脫水處理，得到氧化鋁纖維紙。
[0017] 作為優(yōu)選，所述氧化鋁纖維與去離子水的質(zhì)量比為1:70?80。
[0018] 作為優(yōu)選，所述氧化錯(cuò)纖維衆(zhòng)料以400?1000r/min攪拌混合5?IOmin得到。
[0019] 作為優(yōu)選，在氧化鋁纖維漿料中還加入分散劑，攪拌分散均勻后進(jìn)行抽濾脫水，分 散劑的加入量不大于氧化鋁纖維漿料重量的1. 0%。
[0020] 作為優(yōu)選，所述分散劑以重量百分百比濃度為40?60%的溶液的形式加入。
[0021] 作為優(yōu)選，所述分散劑為聚丙烯酰胺。
[0022] 作為優(yōu)選，所述氧化鋁纖維紙的厚度為2?4mm。
[0023] 作為優(yōu)選，所述石墨紙?jiān)谂c氧化鋁纖維紙復(fù)合前進(jìn)行真空預(yù)氧化處理，其中，真空 度為I. OX 10_3Pa，以5°C /min的升溫速度升至1000?1200°C，保溫Ih后隨爐冷卻。
[0024] 作為優(yōu)選，所述碳纖維布預(yù)先經(jīng)過(guò)了氧化鋁/磷酸鋁混合漿料的涂覆處理。
[0025] 作為優(yōu)選，所述碳纖維布與氧化鋁纖維-石墨復(fù)合層設(shè)置于縫合模具中進(jìn)行縫 合，所述縫合模具包括：
[0026] 托板，用于承托被縫合物，所述托板上平行開(kāi)有多個(gè)條形孔；
[0027] 夾板，用于將被縫合物固定在所述托板上，所述被縫合物的邊緣位于托板與夾板 之間被夾持固定；
[0028] 固定裝置，將托板與夾板固定。
[0029] 作為優(yōu)選，所述夾板為平行設(shè)置的兩個(gè)條形板，所述夾板與所述托板上的條形孔 平行設(shè)置。
[0030] 作為優(yōu)選，所述固定裝置為螺栓，所述托板及夾板上開(kāi)有對(duì)應(yīng)的螺栓孔。
[0031] 另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種縫合層狀柔性隔熱材料的制備方法，包括如 下步驟：
[0032] 以氧化鋁纖維為原料制備氧化鋁纖維紙；
[0033] 將氧化鋁纖維紙與石墨紙間隔設(shè)置，各層之間粘結(jié)而成氧化鋁纖維-石墨復(fù)合 層；
[0034] 在氧化鋁纖維-石墨復(fù)合層的兩面分別設(shè)置碳纖維布；
[0035] 將碳纖維布與氧化鋁纖維-石墨復(fù)合層通過(guò)碳纖維繩縫合為一個(gè)整體。
[0036] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0037] 1、本發(fā)明實(shí)施例的縫合層狀柔性隔熱材料最大程度的保留了氧化鋁纖維的原始 結(jié)構(gòu)，纖維的直徑為3?5 μ m，具有優(yōu)異的高溫隔熱性能。
[0038] 2、本發(fā)明實(shí)施例的縫合層狀柔性隔熱材料中采用碳纖維布配合碳纖維繩對(duì)氧化 鋁纖維/石墨材料進(jìn)行縫合，提高了氧化鋁纖維紙與石墨紙Z向纖維體積分?jǐn)?shù)及層間剪切 性能，在熱沖擊使用過(guò)程中，抑制了分層損傷的擴(kuò)展，有效杜絕了層間開(kāi)裂，保證了隔熱材 料的結(jié)構(gòu)整體性。
[0039] 3、本發(fā)明實(shí)施例的縫合層狀柔性隔熱材料在氧乙炔焰流的沖擊下，控制表面溫度 為1600 ± 50°C時(shí)，背面溫度為480 ± 30°C，經(jīng)過(guò)600S加熱，無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象，較好的滿(mǎn)足了高溫 下的隔熱要求。
[0040] 4、本發(fā)明實(shí)施例的方法工藝過(guò)程較為簡(jiǎn)單，制備成本較低。
【附圖說(shuō)明】
[0041] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的縫合層狀柔性隔熱材料的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的縫合模具的結(jié)構(gòu)分解示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限 定。在下述說(shuō)明中，不同的"一實(shí)施例"或"實(shí)施例"指的不一定是同一實(shí)施例。此外，一或 多個(gè)實(shí)施例中的特定特征、結(jié)構(gòu)、或特點(diǎn)可由任何合適形式組合。
[0044] 實(shí)施例1
[0045] 將65g氧化錯(cuò)纖維與4550g去離子水混合，使用高速攪拌器以400r/min攪拌混合 5min，得到氧化鋁纖維漿料；
[0046] 向得到的氧化鋁纖維漿料中加入8g濃度為40wt%的聚丙烯酰胺溶液，以IOOOr/ min的轉(zhuǎn)速對(duì)漿料進(jìn)行攪拌分散5min，得到分散均勻的混合漿料；加入分散劑可以使氧化 鋁纖維分散更加均勻，l〇〇〇r/min的轉(zhuǎn)速時(shí)氧化鋁纖維團(tuán)聚程度較低，分散均勻。
[0047] 采用抽慮成型機(jī)對(duì)得到的混合漿料進(jìn)行抽慮脫水處理，得到厚度為2±0. 5mm的 氧化鋁纖維紙1，該厚度易于控制尺寸，便于后續(xù)加工；其中抽慮真空度為0. 08?I. OMPa， 過(guò)濾布的尺寸為380 X 780mm2;
[0048] 石墨紙2進(jìn)行真空預(yù)氧化處理，其中真空預(yù)氧化處理以5°C /min的升溫速度升至 1200°C，保溫Ih后隨爐冷卻；經(jīng)過(guò)真空預(yù)氧化處理將石墨紙中所含有機(jī)物完全碳化，避免 在高溫使用過(guò)程中因有機(jī)物氧化在石墨紙表面出現(xiàn)氣泡，保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量。
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