一种轻质耐高温陶瓷纤维刚性隔热瓦及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于特种材料技术领域，具体地说，本发明设及一种轻质耐高溫陶瓷纤维 刚性隔热瓦及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 高速航天飞行器在大气层中飞行或再入大气层时，由于严酷的气动加热环境，必 须使用轻质、维形、高效的隔热材料来阻止热量向飞行器内部传递，W保证飞行器的安全。 除密度低和导热系数低之外，隔热材料的拉伸强度、压缩强度、高溫线收缩率和可重复使用 性也是材料选择时需要考虑的重要因素。
[0003] 美国在研制航天飞机的过程中，相继开发了多种陶瓷隔热瓦，用于航天飞机外表 面的热防护。洛克希德?马下公司发展了第一代刚性陶瓷隔热瓦化OC化eedInsulation， LI),采用娃溶胶粘接烙融石英玻璃纤维，最高使用溫度1260 °C，密度为0. 14g/cm3的 LI-900和密度为0. 35g/cm3的LI-2200应用于第一架航天飞机哥伦比亚号上。美国专 利3952083号掲示了洛克希德隔热材料的制备工艺。1978年，美国航空航天局研制出 第二代刚性陶瓷隔热瓦-耐火纤维复合材料隔热瓦（FibrousRe化actcxryComposite Insulation，FRCI)。FRCI由85%的石英纤维和15%的棚娃酸侣纤维（Nextel?312,3M公司 生产）组成，使用溫度提高至1320°C，具有低密度、高强度的优点，从第=架航天飞机发现 号值iscovery，1981年）开始，密度为0. 20g/cm3的FRCI-12代替了大部分LI-2200刚性隔 热瓦。美国专利4148962号掲示了FRCI的制备工艺。第S代刚性陶瓷隔热瓦W80年代研制 的高隔热性能材料化i曲ThermalPerhrmance,HT巧和氧化侣增强热屏障材料（Alumina EnhancedThermalBarrier,AETB)为代表。HTP由 60%至 80% 的石英纤维、20%至 40% 的 氧化侣纤维W及0. 1%至6%的氮化棚烧结剂组成。美国专利5629186号掲示了HTP隔热 材料的制备工艺。AETB是由68%的石英纤维、20%的氧化侣纤维W及12%的Nextel?312 纤维组成。其中氧化侣纤维的加入显著提高了材料的耐溫性。波音公司发展了第四代刚性 隔热瓦波音刚性隔热材料度oeing化gidInsulation，BRI)。BRI由60%至80%质量分数 的石英纤维、20%至40%质量分数的氧化侣纤维W及0. 1%至1%的碳化棚粉末烧结剂组 成。美国专利6716782B2号掲示了BRI的制备工艺。
[0004] 我国从上世纪80年代开始，开展了刚性陶瓷隔热瓦的研制工作。山东工业陶瓷研 究设计院（中国专利公开号CN101691138A)公布了一种航天飞机隔热瓦的制备方法。运 种航天飞机隔热瓦由50%至95%质量分数的烙融石英玻璃纤维、5%至50%质量分数的氧 化侣纤维W及0至5%质量分数的氮化棚粉末烧结剂组成。该专利公布的隔热瓦涂层配方 中含有大量碱金属与碱±金属离子，高溫下会导致涂层粘度显著降低，限制了隔热瓦的使 用溫度。航天材料及工艺研究所（中国专利公开号CN102199042A)公布了一种轻质刚性 陶瓷隔热瓦的组成及其制备方法。该种刚性陶瓷隔热瓦由50%至100%的石英纤维和0% 至50%的莫来石纤维组成，添加陶瓷纤维质量0.Ol至15%的氮化棚粉末烧结剂，同时添加 陶瓷纤维质量0至20%的碳化娃粉末作为高溫抗福射剂。碳化娃粉末抗福射剂成型时在巧 体中梯度分布，因此烧成制品后分布不均匀，缺陷多，从而导致力学性能差等缺点。
【发明内容】
[0005] 氧化锭稳定氧化错纤维导热系数低，高溫热稳定性好，红外热福射不能透过氧化 锭稳定氧化错纤维，本发明人在尝试将氧化锭稳定氧化错作为高溫抗福射剂使用的过程 中，发现氧化锭稳定氧化错纤维作为抗福射剂使用时在制巧的过程中与陶瓷纤维浆料相容 性非常好，显著优于其他同类产品，更为重要的是，氧化锭稳定氧化错纤维不会在巧体中分 层，因此烧成制品后缺陷少，力学性能显著较好。于是，本发明的目的是为了能够克服现有 陶瓷纤维刚性隔热瓦导热系数高、力学性能差、耐溫性差等不足。为此，本发明提供了一种 包含石英纤维、氧化侣纤维和氧化锭稳定氧化错纤维组成的、具有良好隔热性能和力学性 能的轻质耐高溫陶瓷纤维刚性隔热瓦及其制造方法。
[0006] 本发明在第一方面提供了一种轻质耐高溫陶瓷纤维刚性隔热瓦，其特征在于：所 述隔热瓦包括陶瓷纤维，其中所述陶瓷纤维包含石英纤维、氧化侣纤维和氧化锭稳定氧化 错纤维。
[0007] 本发明在第二方面提供了一种制造轻质耐高溫陶瓷纤维刚性隔热瓦的方法，其特 征在于，所述方法包括如下步骤：
[000引 （1)配制烧结助剂悬浮液：
[0009] 将作为烧结助剂的氮化棚和/或碳化棚与淀粉分散在溶剂中并揽拌均匀，得到烧 结助剂悬浮液；
[0010] (2)制备陶瓷纤维浆料：
[0011] 将石英纤维、氧化侣纤维、氧化锭稳定氧化错纤维和所述悬浮液加入到水中并揽 拌均匀，得到所述陶瓷纤维浆料；
[001引0)湿巧成型：
[0013] 将所述陶瓷纤维浆料过滤后压制，得到陶瓷纤维隔热瓦湿巧；
[0014] (4)湿巧干燥：
[0015] 将所述陶瓷纤维隔热瓦湿巧在60°C至150°C下干燥1至36小时，得到陶瓷纤维隔 热瓦干巧；
[001引 巧）加压烧结：
[0017] 将所述陶瓷纤维隔热瓦干巧在1200°C至1500°C下烧结0. 5至15小时，得到所述 轻质耐高溫陶瓷纤维刚性隔热瓦。
[0018] 本发明在第=方面提供了由本发明第二方面所述的方法制得的轻质耐高溫陶瓷 纤维刚性隔热瓦。
[0019] 本发明在第四方面还提供了本发明第一方面所述的隔热瓦或者本发明第=方面 所述的隔热瓦在例如航天飞行器的外表面热防护材料W及特种高溫害炉保溫材料等方面 的应用。
[0020] 本发明与现有技术相比有益效果为：
[0021] 本发明使用氧化锭稳定氧化错纤维作为高溫抗福射剂，克服了使用碳化娃粉末作 为高溫抗福射剂时在产品中分布不均匀的问题，从而提高了陶瓷纤维隔热瓦产品的力学性 能。
[0022] 使用氧化锭稳定氧化错纤维代替碳化娃粉末作为高溫抗福射剂降低了陶瓷纤维 隔热瓦的表观导热系数。
[0023] 在陶瓷纤维隔热瓦中加入氧化侣纤维和氧化锭稳定氧化错纤维，提高了陶瓷纤维 隔热瓦的耐溫性和高溫抗收缩性。
[0024] 在陶瓷纤维隔热瓦中W石英纤维为主要成分，克服了纯氧化侣纤维板或氧化锭稳 定氧化错纤维板抗热震性差的缺点。
[00巧]本发明使用加压烧结的方式，阻止陶瓷纤维隔热瓦烧结过程中巧体膨胀，因此可W精确控制产品的密度，产品密度分布均匀，因此力学性能测试数据离散性小。
[0026] 本发明制备的陶瓷纤维隔热瓦密度在0. 10至0. 90g/cm3之间可控，室溫表观导热 系数为0. 033至0. 085W/(m'K)，压缩强度大于3.OMpa,可用作例如航天飞行器的外表面热 防护材料W及特种高溫害炉保溫材料等使用。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明工艺流程图。
[0028] 图2为加压烧结过程示意图。
[0029] 图3为本发明刚性陶瓷纤维隔热瓦的显微照片。从图（a)可W清楚地看出纤维沿 平面方向取向排列，据推测运是由于湿巧成型过程中的抽滤和压制共同作用产生的效果。 从图化）可W看出纤维之间通过烧结助剂高溫烧结相互粘接，纤维之间的空隙为相互连通 的开孔。
【具体实施方式】
[0030] 本发明在第一方面提供了一种轻质耐高溫陶瓷纤维刚性隔热瓦，其特征在于：
[0031] 所述隔热瓦包括陶瓷纤维，其中所述陶瓷纤维包含石英纤维、氧化侣纤维和氧化 锭稳定氧化错纤维。
[0032] 在一些实施方式中，所述陶瓷纤维由石英纤维、氧化侣纤维和氧化锭稳定氧化错 纤维组成；优选的是，所述石英纤维为烙融石英玻璃纤维。
[0033] 在一些实施方式中，W所述陶瓷纤维的总质量计，所述石英纤维的质量分数为 30 %至85 %，该质量分数可W30 %至85 %之间任何值或者任何子范围，例如为30 %、35 %、 40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%或85%，或者例如为35%至85%、40% 至80 %、45 %至80 %或50 %至75 %，等等。本发明人发现，在一些优选的实施方式中，在陶 瓷纤维隔热瓦中W石英纤维为主要成分，克服了纯的或者高含量的氧化侣纤维板或氧化锭 稳定氧化错纤维板抗热震性差的缺点。
[0034] 在一些实施方式中，所述氧化侣纤维的质量分数为14. 9%至55%，该质量分数 可W14. 9%至55%之间任何值或者任何子范围，例如为14. 9%、15%、20%、25%、30%、 35%、40%、45%、50%或55%，或者例如为15%至55%、20%至50%、25%至45%、或30% 至45%，等等。
[0035] 在一些实施方式中，所述氧化锭稳定氧化错纤维的质量分数为0. 1至15%，该质 量分数可W0. 1%至15%之间任何值或者任何子范围，例如为0. !%、0. 2%、0. 3%、0. 4%、 0. 5%、0. 6%、0. 7%、0. 8%、0. 9%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、 12%、13%、14%或1