一种防隔热材料及其制备方法

技术领域

本发明属于防热功能复合材料领域，具体涉及一种防隔热材料及其制备方法。

背景技术

传统的树脂基防热材料通过增加防热层厚度实现提升隔热性能，例如，高硅氧纤维增强酚醛树脂的热导率较高，其热导率大于0.6W/m·K，要达到一定的隔热需求，必须增加防热层厚度，但由于高硅氧纤维增强酚醛树脂的密度也较高，约1.6—1.8g/cm

某新型飞行器具有弹道式再入和巡航式飞行再进入的双重特征，工作环境具有高热焓、高气动剪切、平均热流低和加热时间长的特点，给现有的烧蚀隔热材料带来极大的挑战，需要研制具有低热导率、低密度特性的防隔热材料，既能适用于高热焓、高气动剪切的防热要求，又能在低热流，长时间飞行条件下具有好的隔热性能。

发明内容

本发明提供一种防隔热材料，适用于高热焓、高气动剪切的防热要求，又能在低热流、长时间飞行条件下具有隔热性能、耐高温烧蚀性能，材料密度较低，热导率低，具有一定强度，能机械加工，是一种性能优异的耐烧蚀防隔热材料。

本发明提出一种防隔热材料，所述材料包括含有空心小球的热熔型酚醛树脂、有机无机纤维混编织物和气凝胶锥套内隔热层。

进一步地，所述防隔热材料由包括如下步骤制备而得：将含有空心小球的热熔型酚醛树脂涂覆于有机无机纤维混编织物上形成预浸料，将所得预浸料铺层成型后旋转缠缚于气凝胶锥套内隔热层而得。

进一步地，所述预浸料的厚度为0.5-0.8mm；所述气凝胶锥套内隔热层的厚度为15～20mm；所述缠缚的厚度为18～25mm。

进一步地，所述空心小球为空心玻璃小球、空心酚醛小球中的至少一种；

所述热熔型酚醛树脂与空心小球的质量比为5:1。

进一步地，所述有机无机纤维混编织物包含有机纤维和无机纤维，其中，有机纤维与无机纤维的体积比为1∶1；

其中，所述有机纤维为芳纶类纤维；优选地，所述有机纤维为邻位芳纶纤维(1313)；

所述无机纤维为硅基纤维；优选地，所述无机纤维为高硅氧纤维、石英纤维中的至少一种。

进一步地，所述气凝胶锥套内隔热层为高硅氧毡气凝胶、二氧化硅气凝胶中的至少一种。

本发明还提出一种防隔热材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将有机纤维、无机纤维横竖交替进行编织，制得有机无机纤维混编织物；

(2)将空心小球加入热熔型酚醛树脂，制得混合物，将混合物涂覆到步骤(1)所得有机无机纤维混编织物上，制得预浸料；

(3)使用气凝胶制备气凝胶锥套内隔热层；

(4)将步骤(2)所得预浸料进行铺层成型，制得层压件；在步骤(3)所得气凝胶锥套内隔热层上旋转缠缚层压件，制得成型件；

(5)将步骤(4)所得成型件加热、加压，进行固化，制得防隔热材料。

进一步地，步骤(2)中，所述热熔型酚醛树脂的粘度80℃下为500-1500cps；

步骤(2)中，所述将空心小球加入热熔型酚醛树脂的温度、将混合物涂覆到有机无机纤维混编织物上的温度均为80℃。

进一步地，步骤(4)中，所述缠缚的张力为1～10kgf，缠缚的温度为60-80℃。

进一步地，步骤(5)中，加热、加压具体为升温至100℃后保温1h后，加压至0.5-0.8MPa，再升温至170℃；其中，升温的速率为30℃/h；

步骤(5)中，固化的时间为3-6h。

本发明具有以下优势：

本发明提出的防隔热材料，通过引入空心小球以及有机纤维，有效降低了材料的密度及热导率。并且，在高速飞行过程的气动加热环境下，还可通过有机纤维的烧蚀分解，结合无机纤维的耐高温烧蚀性能，保证材料的耐烧蚀能力。

另外，本发明可以根据工艺要求，通过改变层压件的厚度，调控材料的密度，实现了材料密度和导热系数可根据工艺需求可控选择的特点。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。所用方法为常规方法如无特殊说明，均为常规方法。

本发明一实施例提出一种防隔热材料，所述材料包括含有空心小球的热熔型酚醛树脂、有机无机纤维混编织物和气凝胶锥套内隔热层。

优选的，所述防隔热材料由包括如下步骤制备而得：将含有空心小球的热熔型酚醛树脂涂覆于有机无机纤维混编织物上形成预浸料，将所得预浸料铺层成型后旋转缠缚于气凝胶锥套内隔热层而得。

本发明实施例提出的防隔热材料，通过引入空心小球以及有机纤维，有效降低了材料的密度及热导率。并且，在高速飞行的气动加热环境下，还可通过有机纤维的烧蚀分解，结合无机纤维的耐高温烧蚀性能，保证材料的耐烧蚀能力。

具体而言，

本发明实施例在防热增强体混编织物中加入有机纤维，降低传统无机硅基纤维的密度和热导率，在高速飞行过程的气动加热环境下，通过有机纤维的烧蚀分解，结合无机纤维的力学机械性能和耐高温烧蚀性能，保证了材料的烧蚀散热和抗冲刷维形能力，为进一步提升飞行器的飞行速度和飞行距离提供了技术保障。

本发明实施例通过引入有机纤维和空心玻璃或酚醛小球，使得材料密度较传统无机硅基纤维降低了一半，既保证了优良的隔热效果，又降低了整体材料的低密度。同时，采用气凝胶锥套内隔热层，进一步降低了材料的密度，应用于防热耐冲刷层时，实现了长时间隔热和轻质的效益。

本发明实施例提出的防隔热材料适用于高热焓、高气动剪切的防热要求，又能在低热流，长时间飞行条件下具有隔热性能。

进一步的，所述预浸料的厚度为0.5-0.8mm；所述气凝胶锥套内隔热层的厚度为15～20mm；所述缠缚的厚度为18～25mm。

进一步的，空心小球为空心玻璃小球、空心酚醛小球中的至少一种。空心小球的添加，可有效降低材料的密度，实现材料密度和导热系数的可控选择。

进一步的，热熔型酚醛树脂与空心小球的质量比为5:1。

进一步的，有机无机纤维混编织物包含有机纤维和无机纤维，有机纤维与无机纤维的体积比为1∶1。

其中，有机纤维为芳纶类纤维。优选地，有机纤维为邻位芳纶纤维。更优选地，有机纤维为邻位芳纶纤维(1313)。无机纤维为硅基纤维。优选地，无机纤维为高硅氧纤维、石英纤维中的至少一种。

进一步的，气凝胶锥套内隔热层为高硅氧毡气凝胶、二氧化硅气凝胶中的至少一种。气凝胶锥套内隔热层不仅降低了材料的密度，还实现了材料密度和导热系数可根据工艺可控选择。

本发明一实施例还提出一种防隔热材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将有机纤维、无机纤维横竖交替进行编织，制得有机无机纤维混编织物；

(2)将空心小球加入热熔型酚醛树脂，制得混合物，将混合物涂覆到步骤(1)所得有机无机纤维混编织物上，制得预浸料；

(3)使用气凝胶制备气凝胶锥套内隔热层；

(4)将步骤(2)所得预浸料进行铺层成型，制得层压件；在步骤(3)所得气凝胶锥套内隔热层上旋转缠缚层压件，制得成型件；

(5)将步骤(4)所得成型件加热、加压，进行固化，制得防隔热材料。

进一步的，步骤(2)中，热熔型酚醛树脂的粘度80℃下为500-1500cps。

进一步的，步骤(2)中，将空心小球加入热熔型酚醛树脂的温度、将混合物涂覆到有机无机纤维混编织物上的温度均为80℃。

进一步的，步骤(2)中，预浸料的厚度为0.5-0.8mm，预浸料的宽度为70mm。

进一步的，步骤(2)中，可以将制备得到的预浸料置于-18℃冷柜中贮存。

进一步的，步骤(2)中，还可以将从冷库拿出的预浸料沿与经向成45度斜裁成宽度为70mm宽的预浸料，缝合搭接成连续长胶带，然后绕成盘，便于取用。

进一步的，步骤(3)中，所述气凝胶锥套内隔热层的厚度为15～20mm。优选的，气凝胶锥套内隔热层的尺寸为：小端内径为Φ280，大端内径为Φ720，厚度为18mm，长度为1400mm。

进一步的，步骤(4)中，可以使用缠绕机将层压件在铺敷有高硅氧毡或二氧化硅气凝胶的锥套上倾斜缠绕成型。

进一步的，步骤(4)中，所述缠缚的张力为1～10kgf，缠缚的温度为60-80℃。缠绕的角度为15°。

进一步的，步骤(5)中，加热、加压具体为升温至100℃后保温1h后，加压至0.5-0.8MPa，再升温至170℃；其中，升温的速率为30℃/h。

进一步的，步骤(5)中，固化的时间为3-6h。

进一步的，步骤(5)还包括，对成型件表面依次包覆氟四玻璃布、透气毡、氟四玻璃布后再进行加热、加压。

具体而言，步骤(5)可以为：在步骤(4)所得成型件表面依次包覆氟四玻璃布、透气毡、氟四玻璃布，其可以在固化过程中防止粘连，加热、加压，加热的升温速率为30℃/h，在100℃下保温1h后，加压至0.5-0.8Mpa，然后升温至170℃，进行固化，固化的时间为3-6h，制得固化件，然后进行机加工，至固化件的厚度为18mm，切割，脱模，制得防隔热材料制件。

进一步的，步骤(5)中，固化件被切割后的长度为1400mm。

进一步的，步骤(5)中，固化采用真空袋抽真空加压烘箱固化，或热压罐加热加压固化工艺。

进一步的，步骤(5)中，成型件表面还接有真空管。步骤(5)中，成型件表面还包覆有密封胶袋。

该防隔热材料，制备工艺简单、成型周期短、成本低，有利于批量生产，在工艺和价格上也具有优势。

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明书，但本发明并不限于以下实施例。

(1)芳纶纤维与硅基纤维纱线的体积比为1∶1，横竖向皆均匀交替排布，制得有机无机纤维混编织物；

(2)在80℃下将粘度为500-1500cps的热熔型酚醛树脂加入20％重量比的空心玻璃小球或空心酚醛小球，然后在此温度下涂覆到步骤(1)所得有机无机纤维混编织物上，制得预浸料，预浸料的厚度为0.7mm，预浸料的宽度为70mm，将制备好的预浸料置于-18℃冷柜贮存；

(3)将从冷库拿出的预浸料沿与经向成45度斜裁成宽度为70mm宽的预浸料，缝合搭接成连续长胶带，然后绕成盘，便于后续步骤的取用；

(4)按烧蚀防隔热锥套的要求用高硅氧毡或二氧化硅气凝胶材料制备气凝胶锥套内隔热层，气凝胶锥套内隔热层的尺寸为：小端内径Φ280，大端内径Φ720，厚度18mm，长1400mm；

(5)将步骤(3)所得预浸料进行铺层成型，制得层压件，使用缠绕机将层压件在步骤(4)所得铺敷有高硅氧毡或二氧化硅气凝胶的锥套上倾斜缠绕成型，控制缠绕的张力为1～10kgf，缠绕的温度为60-80℃，缠绕的厚度为18mm；缠绕的角度为15度，制得成型件；

(6)在步骤(5)所得成型件表面依次包覆氟四玻璃布、透气毡、氟四玻璃布，最后包上密封胶袋，接上真空管嘴，以30℃/h的升温速率升温，在100℃下保温1h后，抽真空加压至0.8MPa，然后升温至170℃，保温5h，进行固化，制得固化件，固化件表面进行机加工至厚度为18mm，在两端的计算位置切割，长度为1400mm，脱模，得防隔热材料制件。

同实施例1，不同之处在于，

步骤(2)中，预浸料的厚度为0.7mm；

步骤(4)中，气凝胶锥套内隔热层的厚度为25mm；

步骤(5)中，缠绕的厚度为20mm。

同实施例1，不同之处在于，步骤1未添加作为有机纤维的芳纶纤维。

同实施例1，不同之处在于，步骤1未添加作为有机纤维的芳纶纤维，步骤2未添加空心玻璃小球或空心酚醛小球。

对实施例1、对比例1和对比例2制备得到的防隔热材料，进行性能测定，比较不同制备原料对防隔热材料性能的影响，结果见表1。

表1不同制备原料对防隔热材料性能的影响

由表1不同制备原料对防隔热材料性能的分析可知，有机无机纤维混编低密度增强防隔热材料的密度和热导率，均低于无机纤维低密度防隔热材料和无机纤维防隔热材料。

有机无机纤维混编低密度增强防隔热材料，既保证了在高速飞行过程中的气动加热环境下的烧蚀散热和抗冲刷维形能力，又保证了优良的隔热效果和整体材料的低密度，实现抗烧蚀、抗冲刷、长时间隔热、减重等综合效益。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。