[发明专利]一种抑制热辐射的耐超高温陶瓷超材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种抑制热辐射的耐超高温陶瓷超材料及其制备方法，产品包括第一循环层和设置在第一循环层上的第二循环层；第一循环层自下至上依次设置第一二氧化硅气凝胶隔热层、第一二氧化硅粘结层、第二二氧化硅气凝胶隔热层和第一氮化钛反射层；第二循环层自下至上依次设置第三二氧化硅气凝胶隔热层、第二二氧化硅粘结层、第四二氧化硅气凝胶隔热层、第三二氧化硅粘结层和第二氮化钛反射层。制备方法包括隔热层的制备、粘结层的制备、反射层的制备。本发明制备得到的抑制热辐射的耐超高温陶瓷超材料具备低发射率、低热导率、超高温稳定以及大规模制备等功能。

技术领域

本发明涉及一种耐超高温陶瓷超材料及其制备方法。

背景技术

对超高温热源的热辐射进行抑制在航空航天、核电转化及热电转化等领域都非常重要。例如，在核电池的组成部分中，可以通过设计热辐射隔绝层，减少热源辐射热损失，提高辐射热利用率，进而提高电池的效率。早期，研究者们用一层高反射材料涂覆发射表面来隔绝辐射热（Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2006, 3, 81–93），然而，涂层在超高温下会出现蒸发和扩散问题，导致涂层随着时间的推移而退化。根据Steven-Boltzmann定律，单位面积辐射能量与发射率以及热力学温度的四次方成正比，因此，可通过降低发射率或降低热力学温度来抑制物体的热辐射。目前常用的热辐射隔绝层为多层绝缘(multi-layerinsulations，MLI)结构，由高反射率金属箔作为反射层，中间填充低热导率材料交替构成，能够同时降低红外发射率和表面热力学温度，在高真空下具有极低的导热系数，也被称之为“超级绝热材料”。MLI结构常用的金属箔材料有钼箔、金箔以及钛箔等，而常用的低热导率填充材料有氧化锆、二氧化硅以及镱粉末等。虽然上述的MLI结构具有一定的绝热效果，但是这些材料也有一些明显的缺陷，例如钼箔比较脆、金箔不耐超高温、钛箔易燃以及镱粉容易增加金属箔粘性等等。因此，材料本身超高温稳定性、反射层和填充层之间的兼容性以及MLI结构整体的绝热性能都有待进一步提升。气凝胶作为超低热导率材料，已被研究者们作为填充层应用在MLI结构中。例如，公告号为CN115257096A报道了一种基于气凝胶薄膜的由低红外发射率上层、相变储能中层和热辐射反射下层构成的新型热辐射抑制叠层结构，具有太阳光反射率高、3-15μm波段平均红外发射率低、相变焓值高等优点，然而，其相变储能层中的相变材料包括但不限于石蜡类、多元醇类、脂肪胺类、高级脂肪醇类、高级脂肪酸类等，这些材料在超高温容易分解，并不适用于超高温系统。另外，Wang等人报道了一种气凝胶复合材料作为填充层，铜箔、不锈钢箔、钼箔等材料作为反射层的MLI结构（Heat MassTransfer. 2018, 54, 2793–2798）, 其在1000℃超高温下表现出较低的热导率，虽然填充层采用了低热导率的气凝胶复合材料，但其反射层仍然为传统的金属箔材料，体积较大，在超高温下容易氧化，长久稳定性较差，并且此MLI结构通过简单地用石英线缝制而成，层结构之间以及材料和实际物体表面之间的空隙必将导致辐射热的损失，未考虑到实际应用的难点。因此，亟需发展一种能对超高温热源热辐射进行长时间抑制的MLI结构超薄超材料，具备低发射率、低热导率、超高温稳定以及大规模制备等功能。

麻省理工学院开发的放射性同位素TPV系统中的MLI结构使用金属钼箔作为反射层，氧化锆粉末作为填充层（PowerMEMS, 波兰, 2019-12-2至2019-12-6）。钼箔具有低成本、高温稳定的优势，而氧化锆粉末具有低热导率的特点，该绝热材料在800℃真空条件下能达到0.1W/mK左右的较低热导率。作为反射层的钼箔比较脆，容易受损。金属箔和粉末材料的体积和重量较大，会导致TPV系统比较笨重，一方面使其不利于深空、深海探索设备的轻便化，另一方面MLI结构体积的增加会导致轴向热辐射的损失，不适用于高轴径比的热源。另外，MLI结构通过简单地手工缠绕在热源表面，层间空隙会导致辐射热的损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具备低发射率、低热导率、超高温稳定以及大规模制备等功能的抑制热辐射的耐超高温陶瓷超材料及其制备方法。

本发明的技术解决方案是：