[发明专利]一种常压干燥的纳米隔热材料及其制备工艺

说明书

本发明提供了一种常压干燥的纳米隔热材料及其制备工艺，属于无机非金属材料技术领域，尤其适于航天飞机、临近空间高超声速飞行器等航天器用热防护材料与隔热透波材料的制备。向水中加入纳米粉体、增强纤维和致孔剂，将原材料混合均匀获得非定型材料；将非定型材料装入模具并在室温或加热条件下干燥至恒重，脱模获得干毛坯；将干毛坯放入高温炉中升温至所需温度后，进行热处理至恒重，以去除其中的致孔剂，得到纳米隔热材料。本发明制备的纳米隔热材料体积密度低、隔热性能优异、高温稳定性好、力学强度高、细观结构均匀、性能均一。

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，特别涉及一种常压干燥的纳米隔热材料及其制备工艺。

背景技术

在航天飞行器制造领域，热防护系统是保证航天器安全飞行的必要保障。其中，无机隔热材料因其体积密度低、高温稳定性好、隔热性能优异、可重复使用等诸多优势，已成为航天飞行器热防护系统必不可少的重要热防护材料。近年来，随着飞行器马赫数的提高，对隔热材料的性能要求也越来越高。具有独特纳米孔隙结构特征的气凝胶纳米隔热材料具有极低的热导率，是目前报道的热导率最低的固态材料，隔热保温性能较传统材料优势非常明显，因此在航天防隔热领域的巨大潜在应用价值逐渐被人们所认识。

气凝胶纳米隔热材料的制备一般采用溶胶-凝胶工艺结合超临界干燥技术制备。溶胶-凝胶过程中，一般采用金属醇盐或水玻璃作为前驱体，前者本身成本很高，后者则需提前进行离子交换以去除其中的钠离子等，并且凝胶后需要以有机溶剂逐步替换其中的水，因此制备工艺复杂繁琐，成本也居高不下。此外，凝胶的干燥也存在较大的问题。以乙醇等有机溶剂作为干燥介质进行超临界干燥需要采用高温高压特种设备，工作温度和压力一般需要250℃和7MPa以上，存在着巨大的安全隐患，并且凝胶中的残余水分会与超临界后的乙醇混合在一起，分离困难，乙醇难以多次重复使用；以二氧化碳作为干燥介质进行超临界干燥时，工作温度相对较低，二氧化碳也可实现重复利用，但存在设备较为复杂，能耗较高的问题。为此，条件要求相对较低、工艺较为温和的常压干燥制备备受关注。但是，常压干燥需要漫长的溶剂替换及表面改性等工艺过程，因此制备周期长，工艺繁琐，并且需要采用大量的有机溶剂，实际制备成本可能更高。此外，上述制备工艺都不能够均匀有效引入遮光剂等功能性添加物，因此材料的高温隔热性能相对较差。

为克服上述问题，德国Promat公司[www.microthermgroup.com]等研制单位(杨自春，陈德平.纳米多孔绝热材料的制备与绝热性能研究[J].硅酸盐学报，2009,37(10)：1740.；Abe H，Abe I，Sato K，et al.Dry powder processing of fibrous fumed silicacompacts for thermal insulation[J].J Am Ceram Soc，2005，88(5):1359)采用与气凝胶纳米隔热材料完全不同的制备工艺，将纳米粉体和遮光剂颗粒、增强纤维混合均匀后，经模压成型制备了一种隔热性能优异的纳米隔热材料，整个制备过程中无需水等溶剂的使用，完全避免了干燥过程，较好地解决了气凝胶纳米隔热材料上述存在的诸多问题，并且制造成本相对较低。但是，这种工艺存在着一个较为致命的缺陷，就是材料的力学性能相对较差，原因在于其采用的干法混料方法，增强纤维的大量掺入较为困难，加之纳米颗粒之间仅仅依靠物理作用将其挤压在一起，因此它们之间没有较强的相互作用力。这种较差的力学性能导致材料几乎不存在机械加工性能，在实际工程应用中遇到了一定的麻烦，尽管能够采用特定的模具工装等进行预先成型，但是模具工装成本投入较大，特别对于生产数量较少的零部件来说，从生产成本上来说极其不够划算。此外，对于隔热透波天线罩等复杂的异形构件来说，这种制备工艺的问题更加突出，除去工装模具的复杂和投入成本不提，这种成型方式已不能够完全满足材料的性能要求，因为当单纯依靠加压方式对曲面等施加作用力时，各部位所受压力的大小已经完全不同，导致材料的各部位细观结构不够均匀，性能不够均一。况且，某些极其复杂的施工部位，即使能够模压制备出一定的零部件，但装配起来极其繁琐和困难。