[发明专利]一种超轻质隔热耐冲刷的功能一体化复合材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种超轻质隔热耐冲刷的功能一体化复合材料及制备方法；属于轻质特种材料开发技术领域。所述复合材料包括耐高温抗冲刷陶瓷复合材料层、粘结层、高温吸波隔热层；所述粘结层位于耐高温抗冲刷陶瓷复合材料层和高温吸波隔热层之间，且与二者直接接触；所述粘结层所用原料由聚硅氮烷先驱体、钛合金粉、碳化硅粉、分散剂按特定的比例混合组成。本发明提供的一体复合材料具有耐高温、耐高马赫数冲刷、超轻质、高孔隙率、高温吸波和隔热的功能，能满足航天领域对耐高温、隔热、高温吸波、轻质等多功能一体化的需求。本发明步骤设计合理，过程简单可控，便于大规模的产业化应用。

技术领域

本发明涉及一种超轻质隔热耐冲刷的功能一体化复合材料及制备方法；属于轻质特种材料开发技术领域。

背景技术

轻量化多功能复合材料是目前的研究热点，其在航天航空、导弹、运输等领域均有广阔的应用前景，在航天上，结构轻量化是永恒主题，器材每减轻1克的重量，就会节省巨大成本，同时在军用航天航空设备中“隐身”也成为了目前研究的重点方向之一。在多功能复合材料的研究上，人们做了大量的研究。如在航天多功能复合材料的研究已经从初期的双功能（如防热/抗核）复合材料进入到三功能（如防热/透波/承载、防热/抗核/承载）复合材料。①双功能（防热/抗核）复合材料主要用作战略核武器端头前体材料。其工艺途径包括：调整增强物不同结构（包括一体化整体编织、三维薄壁织物）、与不同组元混编或混杂纱编织、调节基体的组元（包括双基体）和改进复合工艺。②三功能（防热/透波/承载）复合材料主要用于新型战略核武器弹头的天线窗材料和常规地/地—惯性/地图匹配精确制导导弹天线罩材料。其工艺过程包括：浇注熔融硅陶瓷、三向正交石英增强氧化硅基复合材料、有机硅热解方法制备有机硅复合材料（要求承受温度高于1500℃、并坚持数秒）和磷酸盐基（温度小于1500℃、但能坚持数分钟）复合材料。防热/透波/承载三功能复合材料（天线罩材料）的新发展包括：采用石英增强二氧化硅，吸收浇注熔融硅和三向石英的优点；采用内外层不同工艺，材料外层突出耐烧蚀性，内层则突出结构强度；采用界面匹配以保证高透波性能的要求；重点研究三功能一体化的匹配设计。③三功能（防热/抗核/承载）复合材料主要用于新型战略核武器特定再入滚转特征的多功能端头防热套。解决再入时大面积碳/酚醛因烧蚀热结构不匹配而引起块状剥蚀问题。为实现被动滚控、小型化、轻质化、强突防和高可靠性提供技术和物质基础。目前，其抗烧蚀性能已经达到二向碳/酚醛（防热/抗核）的水平，而抗核加固性能和承载能力则分别提高一个数量级。需要进一步对降低表面烧蚀粗糙度、提高被动滚控性能、提高承载能力和隔热效率方面的进一步研究。目前有单位尝试开发了四功能的复合材料，如中国人民解放军国防科技大学所申报的专利CN202011549792.X就涉及到了一种超宽频防隔热/隐身/承载/电磁屏蔽一体化复合材料，该专利公开的技术为：复合材料由内到外依次包括承载/电磁屏蔽层、粘接层、第一气凝胶复合材料隔热层、第一有耗电磁周期结构层支撑层、第一有耗电磁周期结构层、第二气凝胶复合材料隔热层、第二有耗电磁周期结构层支撑层、第二有耗电磁周期结构层、第三气凝胶复合材料隔热层、第三有耗电磁周期结构层支撑层、第三有耗电磁周期结构层、第四气凝胶复合材料隔热层、防热层，所述承载/电磁屏蔽层为碳纤维增强树脂基复合材料，所述粘接层和防热层均为连续氧化物陶瓷纤维织物增强氧化物陶瓷基复合材料，所述第一气凝胶复合材料隔热层、第二气凝胶复合材料隔热层、第三气凝胶复合材料隔热层、第四气凝胶复合材料隔热层均为氧化物陶瓷纤维毡增强氧化物气凝胶复合材料，所述第一有耗电磁周期结构层支撑层、第二有耗电磁周期结构层支撑层、第三有耗电磁周期结构层支撑层均为氧化铝纤维布增强陶瓷基复合材料，所述氧化铝纤维布增强陶瓷基复合材料中的陶瓷基体与粘接层和防热层的连续氧化物陶瓷纤维织物增强氧化物陶瓷基复合材料中的陶瓷基体相同，所述第一有耗电磁周期结构层、第二有耗电磁周期结构层、第三有耗电磁周期结构层分别由烧结于第一有耗电磁周期结构层支撑层、第二有耗电磁周期结构层支撑层、第三有耗电磁周期结构层支撑层的氧化铝纤维布表面、呈现周期性阵列排布的贴片单元构成。该技术中，涉及到的复合材料中功能层设计过于繁复；而且其制备过程中涉及到打孔和缝合，这一操作为后续材料服役留下了隐患。北方长龙新材料技术有限公司在专利CN202010224881.0中设计了一种多联发火箭弹贮运发箱，该发射箱，包括箱体，箱体从内到外依次为陶瓷纤维复合层、吸波纤维层、磁场屏蔽复合层、耐高温纤维增强层、隔热泡沫层、第一纤维增强层、电场屏蔽复合层和第二纤维增强层；以上各层之间均由芳纶纤维丝束缝合固定；所述磁场屏蔽复合层由磁场屏蔽层和位于其两侧的玻璃纤维增强层复合而成；所述电场屏蔽复合层由电场屏蔽层和位于其两侧的玻璃纤维增强层复合而成。该技术中由于材料功能层区分过于明显和制备过程中引入了铍铜和芳纶纤维丝束导致其轻质化程度和耐高温性能有限。