[发明专利]一种外防热材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种耐高温、高应变协调的外防热材料及其制备方法。

背景技术

高应变协调外防热材料由芯层隔热材料和上下层陶瓷面板通过一体化缝合制备而成，芯层隔热材料由柔性棉毡复合气凝胶隔热填料制备而成，上下面板层由连续纤维增强体复合陶瓷基体制备而成，上层/ 芯层/下层通过陶瓷化缝合线连接而成。该类型结构的最大的优点是变形协调性能高、抗冲击能力强、尺寸大、隔热效果好、装配简单。解决传统外防热材料脆性大、变形协调能力差等难题，提高了设计余量和安全可靠性。

该类型外防热材料有望在高超声速飞行器、再入式飞行器等防隔热领域获得大规模应用。然而，该类型材料的陶瓷面板具有较大的耐温局限性，一般不超过1200℃，1200℃条件下力学强度明显下降，主要原因为氧化物纤维与氧化物陶瓷或C纤维与SiC陶瓷发生界面反应，面板呈现脆性，从本质上产生了应用领域的边界线。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的是传统外防热材料脆性大、变形协调能力差的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种外防热材料，所述外防热材料包括第一面板层、第二面板层和位于所述第一面板层和所述第二面板层之间的芯层气凝胶层；

所述第一面板层和所述第二面板层主要由纤维预制体复合气凝胶前驱体和陶瓷前驱体而成，所述芯层气凝胶层主要由纤维基体复合气凝胶前驱体而成，所述纤维预制体的纤维表面经界面包覆处理。

本发明提供的是一种“三明治”夹层结构的材料，包括第一面板层和第二面板层和芯层气凝胶层，第一面板层和第二面板层具有较高的耐温、承载、抗冲刷能力，保护芯层气凝胶层材料。

在本发明中，对第一面板层和第二面板层中的纤维表面进行了界面包覆处理，从而阻隔高温下纤维与陶瓷基体反应，增大第一面板层和第二面板层的耐高温强度。由于界面反应程度大大降低，从而使得材料的变形协调能力提高，在高温下的力学性能大幅度提升。

此外，本发明所制备的外防热材料具有较高的层间结合强度。通过后续的制备方法可知，层间结合力主要通过缝合线提供，界面包覆所用的界面包覆处理剂不但提高了缝合线强度，同时作为粘结剂还增大了芯层和两个面板层的结合强度。经检测，本发明所提供的外防热材料的平拉强度可以为0.6-3.5MPa，而一般的航天隔热瓦的平拉强度仅为0.4-0.5MPa，可见，本发明所提供的外防热材料的平拉强度优于航天隔热瓦。

优选地，所述界面包覆处理可以为BN界面包覆处理或SiC/C界面包覆处理。

进一步优选地，所述界面包覆处理所形成的界面层的厚度为0.05-1 μm。

界面层的厚度过大，面板容易变脆，工艺可行性差；而界面层厚度过薄时，则无法达到理想的包覆效果，面板的耐温性差，因此，本发明提供的外防热材料中，界面层的厚度优选为0.05-1μm，更优选为50-300nm，最优选为100-200nm。

优选地，所述纤维预制体和所述纤维基体主要由纤维制成，所述纤维选自氧化锆纤维、石英纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维、硅酸铝纤维、高硅氧纤维和碳纤维中的一种或多种；

所述预制体所用纤维的直径可以为1～10μm，优选为3～7μm，耐温性可以为1000℃以上，优选为大于1200℃；

所述纤维基体所用纤维的直径可以为1～10μm，优选为1～5μm，耐温性可以为800℃以上，优选为大于1000℃；和/或，

所述纤维预制体的厚度可以为0.2-4.5mm，优选为0.5-2mm。

优选地，所述陶瓷前驱体选自无机陶瓷前驱体或有机陶瓷前驱体中的任一种；

所述无机陶瓷前驱体包括氧化硅溶胶、氧化铝溶胶和氧化锆溶胶中的一种或多种，且所述无机陶瓷前驱体中的固含量可以为5～80质量％ (例如为5、10、20、30、40、50、60、70或80质量％)；

所述有机陶瓷前驱体主要包括有机硅树脂、硅硼碳氮树脂、全氢硅树脂和聚碳硅烷树脂中的一种或多种，且所述有机陶瓷前驱体中的固含量可以为5-80质量％(例如为5、10、20、30、40、50、60、70 或80质量％)；和/或，

所述气凝胶前驱体选自由SiO₂气凝胶、Al₂O₃气凝胶和ZrO₂气凝胶组成的组中的一种或多种。