一种耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及绝热材料领域，具体涉及一种耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料及其制备方法。
背景技术：
：为减少舰船、核电站等军民装备设施工作过程中的散热损失，提高热效率，防止工作人员烫伤，保证电器设备、仪表等安全可靠工作；或防止表面温度较低的设备和管道产生凝露，必须对装备设施的部分高温或低温设备及管道包覆绝热材料。目前，国内外应用于军民装备设施的非金属绝热材料主要包括玻璃棉、岩棉等无机纤维类材料。文献[段晨,国占东,白宗良等.舰船用隔热绝缘材料研究现状[j].舰船科学技术,2016,38(10):1-6.]指出，无机纤维类绝热材料存在导热系数较高导致隔热性能降低，易吸潮造成纤维材料粉化失效，残留物的高腐蚀性会造成使用安全隐患等问题，严重影响军民装备设施技术性能的充分发挥。技术实现要素：为了解决无机纤维类绝热材料应用于军民装备设施的问题，本发明的目的在于提供一种耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料，该材料可应用于高剂量核辐照环境下的军民装备设施，具有超低导热系数、超低吸湿率、超高憎水率的特点，并且不会对奥氏体不锈钢产生腐蚀，可以很好的解决现有无机纤维类材料存在的导热系数较高、易吸潮、高腐蚀性等问题，更好的保障军民装备设施技术性能的充分发挥。除特殊说明外，本发明所述份数均为重量份，所述百分比均为质量百分比，所述浓度为质量百分比浓度。本发明的目的是这样实现的：一种耐辐照陶瓷纤维，其特征在于：所述耐辐照陶瓷纤维由如下原料制成：sio2：55～65％，al2o3：10～15％，cao：20～25％，mgo：0～5％，li2o：0～0.1％，b2o3：0～0.05％，余者为不可避免的杂质，所述百分比为质量百分比。本发明耐辐照陶瓷纤维是由包含sio2、al2o3、cao、mgo、li2o、b2o3和不可避免的杂质形成的原料烧制成陶瓷，然后制成耐辐照陶瓷纤维。本发明制备耐辐照陶瓷纤维的原料sio2、al2o3、cao、mgo、li2o、b2o3和不可避免的杂质总量为100％。一种耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料，以上述耐辐照陶瓷纤维制成的针刺毡为增强相，采用凝胶成型工艺制得。本发明还提供上述耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料的制备方法，该方法操作简单，不需要大型工业设备，适合工业化生产。本发明耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料的制备方法，其特征在于，采用如下步骤：采用通用的坩埚或池窑拉制耐辐照陶瓷，形成单丝直径为9μm～13μm的耐辐照陶瓷纤维丝束，通过对耐辐照陶瓷纤维丝束进行短切、定量铺料、梳理、成网、针刺工艺形成耐辐照陶瓷纤维针刺毡；然后以耐辐照陶瓷纤维针刺毡为增强相，采用凝胶成型工艺制备耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料。上述方法中所述耐辐照陶瓷纤维针刺毡的厚度为3mm～6mm，容重为100kg/m3～115kg/m3。上述方法中，所述凝胶成型工艺包括以下步骤：(1)以na2sio3为先驱体，c2h5oh为溶剂，h2so4为催化剂，将na2sio3与c2h5oh混合并搅拌，向搅拌中的混合液加入去离子水和h2so4，静置，待na2sio3充分水解后形成sio2溶胶；(2)用模具对耐辐照陶瓷纤维针刺毡进行固形，然后通过抽真空浸渍sio2溶胶，封口保存；(3)对sio2溶胶经过缩聚反应形成的凝胶进行老化处理，老化过程中发生缩合、粗化，促进凝胶的进一步交联，增强凝胶的骨架强度，使凝胶网络结构继续长大，老化在乙醇环境中进行，老化时间1-2天；(4)采用低表面张力的三甲基氯硅烷(tmcs)或六甲基二硅醚(hmdso)作为表面修饰剂对表面张力较大的c2h5oh进行替换，最后去除表面修饰剂后制成厚度为3mm～6mm的耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料。具体的说，一种耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料的制备方法，其特征在于：所述耐辐照陶瓷纤维由如下原料制成：sio2：55～65％，al2o3：10～15％，cao：20～25％，mgo：0～5％，li2o：0～0.1％，b2o3：0～0.05％，余者为不可避免的杂质，所述百分比为质量百分比；制备工艺为：采用通用的坩埚或池窑拉制耐辐照陶瓷，形成单丝直径为9μm～13μm的耐辐照陶瓷纤维丝束，通过对耐辐照陶瓷纤维丝束进行短切、定量铺料、梳理、成网、针刺工艺形成耐辐照陶瓷纤维针刺毡；所述耐辐照陶瓷纤维针刺毡的厚度为3mm～6mm，容重为100kg/m3～115kg/m3；然后以耐辐照陶瓷纤维针刺毡为增强相，采用凝胶成型工艺制备耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料；所述凝胶成型工艺包括以下步骤：(1)以na2sio3为先驱体，c2h5oh为溶剂，h2so4为催化剂，将na2sio3与c2h5oh混合并搅拌，向搅拌中的混合液加入去离子水和h2so4，静置，待na2sio3充分水解后形成sio2溶胶；(2)用模具对耐辐照陶瓷纤维针刺毡进行固形，然后通过抽真空浸渍sio2溶胶，封口保存；(3)对sio2溶胶经过缩聚反应形成的凝胶进行老化处理，老化过程中发生缩合、粗化，促进凝胶的进一步交联，增强凝胶的骨架强度，使凝胶网络结构继续长大，老化在乙醇环境中进行，老化时间1-2天；(4)采用低表面张力的三甲基氯硅烷(tmcs)或六甲基二硅醚(hmdso)作为表面修饰剂对表面张力较大的c2h5oh进行替换，最后去除表面修饰剂后制成厚度为3mm～6mm的耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料。有益效果：本发明针对目前舰船、核电站等军民装备设施用玻璃棉、岩棉等无机纤维类绝热材料存在的导热系数较高、易吸潮、高腐蚀性等问题，开发出了一种具有超低导热系数、低吸湿、高憎水的耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料。本发明耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料承受1.0×107gy以上剂量γ射线辐照后，不发生明显的脆化、粉化、收缩等现象。本发明材料成分中，严格控制li2o、b2o3等对热中子有很大俘获截面的氧化物含量，具有良好的耐中子辐照性能。本发明对奥氏体不锈钢无腐蚀，可溶出离子含量和浸出液ph值满足gb/t17393要求，不会对奥氏体不锈钢造成应力腐蚀开裂。本发明耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料常温(25℃)导热系数可从无机纤维类绝热材料的(0.04～0.05)w·m-1·k-1降至0.016w·m-1·k-1以下，平均200℃导热系数不大于0.024w·m-1·k-1，质量吸湿率不大于0.3％，憎水率不小于99.5％，适用于高剂量核辐照环境下的舰船、核电站等军民装备设施的高效绝热，更好的保障军民装备设施技术性能的充分发挥。附图说明图1是本发明耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料制备工艺过程图。具体实施方式下面通过具体实施例对本发明进行具体描述，在此指出以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术熟练人员可以根据上述
发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。本发明耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料制备主要工艺过程见图1。本发明耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料性能测试方法为：耐辐照性能：通过co-60γ射线辐照装置对复合材料进行耐辐照性能考核，将样品固定放置在预算过的辐照大厅的某一位置上，在样品表面放置cta薄膜剂量计，辐照一定时间后，将剂量计取下，测试各部位的辐照剂量率，并计算所需要的辐照时间，累积剂量达到1.0×107gy后观察样品的脆化、粉化和收缩情况，详细试验过程参考nb/t20133.3-2012。对奥氏体不锈钢的腐蚀试验a)可溶出离子：复合材料中可溶出氯化物、氟化物、硅酸盐及钠离子含量应符合表1规定，各离子含量测试方法见jc/t618。表1对可溶出氯离子和氟离子含量的要求b)浸出液ph值：复合材料浸出液的ph值，在25℃时应为7.0～11.7，具体试验方法见gb/t17393附录b。对奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂的影响：将样品制作出4个102mm×89mm×38mm的带有弧形凹槽的试样，包覆在不锈钢试件上，同时安装在试验装置上，于操作温度(99℃)下用去离子水进行28d滴注试验，去离子水的流速控制在250ml/d，具体试验方法及判定规则见gb/t17393附录a。导热系数：将样品放入导热系数测试仪中，冷热面分别设置为15℃和35℃，测出通过试样的加热功率后，求出样品在平均温度25℃的导热系数，详细方法见gb/t10294。将样品放入导热系数测试仪中，冷热面分别设置为190℃和210℃，测出通过试样的热流密度后，求出样品在平均温度200℃的导热系数，详细方法见gb/t10295。质量吸湿率：用金属尺和针形厚度计测出样品的尺寸，将样品放入温度为(105±5)℃的电热鼓风干燥箱内烘干至恒重(连续两次称量之差不大于样品末次质量的0.2％)，记下样品的质量及烘干温度。在温度为(50±2)℃、相对湿度为(95±3)％，并具有空气循环流动的调温调湿箱内保持(96±4)h。取出后立即放入预称量的样品袋中，密封袋口，冷至室温后称量。扣除袋重后记下样品吸湿后的重量。然后计算出样品的质量吸湿率，具体计算方法见gb/5480。憎水率：将样品放入干燥箱内，在(105±5)℃的温度下干燥至恒重，然后在干燥皿中冷却至室温，称量样品的质量m1，将样品安放在憎水性测试仪上，根据样品厚度，调节喷头位置，调节水流量，使其稳定在(60±2)l/h，连续喷淋1h。取下样品，在1min之内用吸水纸快速蘸去表面水滴，立即称量样品的质量m2，最后计算出憎水率，具体计算方法见gb/t10299。实施例1按照下表2所示的化学成分以常规工艺烧制耐辐照陶瓷，采用通用的坩埚或池窑拉制陶瓷纤维形成平均直径为11μm的丝束，通过对丝束进行短切、梳理、成网、针刺工艺形成厚度为3mm，容重为108kg/m3的耐辐照陶瓷纤维针刺毡。表2实施例1中的陶瓷化学成分序号成分含量(％)1sio259.852al2o313.123cao22.634mgo2.715li2o0.0236b2o30.042以na2sio3为先驱体，c2h5oh为溶剂，h2so4为催化剂，将c2h5oh/na2sio3＝4(摩尔比，下同)的na2sio3与c2h5oh混合并搅拌，向搅拌中的混合液加入h2o/na2sio3＝3.5的去离子水和h2so4/na2sio3＝2.5×10-3的h2so4，静置3h～5h，待na2sio3充分水解后形成sio2溶胶。通过抽真空将sio2溶胶浸渍于耐辐照陶瓷纤维针刺毡中，然后在乙醇环境中对sio2凝胶进行老化处理1～2天，采用tmcs对c2h5oh进行替换，最后85℃～90℃下去除tmcs制成厚度为3mm的耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料，该材料性能如表3所示。表3实施例1中的绝热复合材料性能实施例2按照下表4所示的化学成分以常规工艺烧制耐辐照陶瓷，采用通用的坩埚或池窑拉制陶瓷纤维形成平均直径为9μm的丝束，通过对丝束进行短切、梳理、成网、针刺工艺形成厚度为6mm，容重为102kg/m3的耐辐照陶瓷纤维针刺毡。表4实施例2中的陶瓷化学成分序号成分含量(％)1sio259.672al2o312.713cao22.464mgo2.375li2o0.0086b2o30.012以na2sio3为先驱体，c2h5oh为溶剂，h2so4为催化剂，将c2h5oh/na2sio3＝8的na2sio3与c2h5oh混合并搅拌，向搅拌中的混合液加入h2o/na2sio3＝4的去离子水和h2so4/na2sio3＝3.0×10-3的h2so4，静置3h～5h，待na2sio3充分水解后形成sio2溶胶。通过抽真空将sio2溶胶浸渍于耐辐照陶瓷纤维针刺毡中，然后在乙醇环境中对sio2凝胶进行老化处理1～2天，采用hmdso对c2h5oh进行替换，最后85℃～90℃下去除tmcs制成厚度为6mm的耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料，该材料性能如表5所示。表5实施例2中的绝热复合材料性能实施例3按照下表6所示的化学成分以常规工艺烧制耐辐照陶瓷，采用通用的坩埚或池窑拉制陶瓷纤维形成平均直径为13μm的丝束，通过对丝束进行短切、梳理、成网、针刺工艺形成厚度为6mm，容重为112kg/m3的耐辐照陶瓷纤维针刺毡。表6实施例3中的陶瓷化学成分序号成分含量(％)1sio260.262al2o313.173cao22.524mgo2.765li2o0.0226b2o30.032以na2sio3为先驱体，c2h5oh为溶剂，h2so4为催化剂，将c2h5oh/na2sio3＝6的na2sio3与c2h5oh混合并搅拌，向搅拌中的混合液加入h2o/na2sio3＝4的去离子水和h2so4/na2sio3＝2.5×10-3的h2so4，静置3h～5h，待na2sio3充分水解后形成sio2溶胶。通过抽真空将sio2溶胶浸渍于耐辐照陶瓷纤维针刺毡中，然后在乙醇环境中对sio2凝胶进行老化处理1～2天，采用tmcs对c2h5oh进行替换，最后85℃～90℃下去除tmcs制成厚度为6mm的耐辐照陶瓷纤维绝热复合材料，该材料性能如表7所示。表7实施例3中的绝热复合材料性能。当前第1页1 2 3