[发明专利]表面韧化的氧化铝纤维刚性隔热瓦多层复合材料、涂层组合物、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及表面韧化的氧化铝纤维刚性隔热瓦多层复合材料及其制备方法，属于功能复合材料技术领域。

背景技术

氧化物陶瓷纤维刚性隔热瓦多层复合材料作为飞行器外表面的热防护材料使用，具有耐温高、质量轻、可重复使用等诸多优点。因此，美国航天飞机大面积采用了刚性隔热瓦多层复合材料作为热防护材料。典型的刚性隔热瓦多层复合材料基体包括LI-900及LI-2200(US3952083)、FRCI(US4148962)、HTP(R.P.Banas,et,al.,Thermophysical and Mechanical Properties of the HTP Family of Rigid Ceramic Insulation Materials,AIAA-85-1055)、AETB(Daniel B.Leiser et.,al.,Options for Improving Rigidized Ceramic Heatshilds,Ceramic Engineering and Science Proceedings,6,No.7-8,pp.757-768,1985)以及BRI(US6716782B2)。上述五种刚性隔热瓦多层复合材料都是以石英纤维为主要组分。然而，以石英纤维为主要组分的刚性隔热瓦多层复合材料材料可重复使用温度极限为1500℃，高于此温度值时，石英纤维会快速析晶，从而导致隔热瓦收缩变形，进而发生失效。因此以石英纤维为主要组分的刚性隔热瓦多层复合材料作为飞行器外表面隔热材料在高于1500℃使用时可靠性很低。

美国GE公司为航天飞机外表面热防护开发了莫来石刚性隔热瓦多层复合材料(Reusable External Insulation,REI-Mullite,NASA TMX-2719，第17-60页)，其耐温性优于LI-900全石英刚性隔热瓦多层复合材料。

我国从上世纪80年代开始，开展了刚性陶瓷隔热瓦纤维基体的研制工作。山东工业陶瓷研究设计院在CN 101691138A公开了一种航天飞机隔热瓦的制备方法。这种航天飞机隔热瓦由50％至95％质量分数的石英纤维、5％至50％质量分数的氧化铝纤维以及0至5％质量分数的氮化硼粉末烧结剂组成。该专利公开的隔热瓦涂层配方中含有大量碱金属与碱土金属离子，高温下会导致涂层粘度显著降低，限制了隔热瓦的使用温度，因此这样的仅能在1200℃以下使用。

CN102199042A中公开了一种轻质刚性陶瓷隔热瓦的组成及其制备方法。该种刚性陶瓷隔热瓦由50％至100％的石英纤维和0％至50％的莫来石纤维组成，添加陶瓷纤维质量0.01至15％的氮化硼粉末烧结剂，同时添加陶瓷纤维质量0至20％的碳化硅粉末作为高温抗辐射剂。CN 104529369A和CN201510632711.5公开了一种由石英纤维、氧化铝纤维和/或氧化锆纤维组成的刚性隔热瓦多层复合材料的制备方法。

新一代高速飞行器的飞行速度达到数马赫甚至十几马赫，飞行器迎风面大面积位置温度可能达到1500℃至1650℃，因此必须开发耐温性更高的刚性隔热瓦多层复合材料材料，以满足新一代高速飞行器的热防护需求。

氧化铝纤维具有极好的耐温性，长时间可重复使用温度达1600℃。美国Zircar公司生产一种氧化铝纤维板，可作为民用产品用于高温炉内衬、化工反应器热防护等使用。Zircar公司对该纤维板的生产工艺严格保密，无公开文献对之进行披露。Zircar公司同时还出售一种适用于其氧化铝板表面致密化的陶瓷前驱体，其具体配方也无公开文献可查。然而，并无使用表面复合高发射率涂层的Zircar氧化铝纤维板作为飞行器外表面隔热材料的报导。因此，自主研发长时间耐温1600℃的表面韧化氧化铝纤维刚性隔热瓦多层复合材料，并应用于航空航天领域超高温隔热领域，具有重要的战略意义。