专利名称：：一种新型无机热防护结构及其制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种新型无机热防护结构及其制作方法，属于复合陶瓷材料
技术领域：
，具術步及高超，飞行器的表面热防护结构。
背景技术：
：高超音速机动飞行器由于需在大气层内长时间高超音速飞行，飞行器的热防护技术将是必须解决的一项重大的关键技术，它与传统的热防护技术有着很大的区别，高超音速机动飞行器高速飞行过程中，气动加热将使飞行器舱内温度接近蒙皮表面温度，影响结构强度和舱内仪器正常工作，尖化翼(舵)前缘需承受几千度气动热高温，传统树脂基防热材料已不能满足高超音速飞行器需求，为了满足高超音速飞行器超音速机动飞行和高打击精度等高性能指标要求，必须采用少烧蚀或非烧蚀无机防热材料进行防护。保证弹体在飞行时的良好的气动外形和表面热防护已成为高超音速机动飞行器热防护发展趋势。我国战略弹头的热防护技术经过近四十年的攻关和预研，取得了一系列较为成熟的技术和经验，但由于其外形简单，再进入时间短(一般为30秒左右)，采用烧蚀型热防护能有效的解决其热障问题，但是高超音速机动飞行器外形极为复杂，热环境为中等热流、长时间，与战略弹头的防热有相当大的差异，使得传统的防热理论和防热设计无法达到预期的防热效果；另外高超音速飞行器由于其战术性能的要求，其防热层必须具备薄层、轻质、廉价三个条件。
发明内容本发明目的在于提供用于高超音速机动飞行器用的新型无机热防护结构及其制作方法，解决飞行器在高速巡航过程中，气动加热使飞行器舱内温度接近蒙皮表面温度，影响弹体结构强度和舱内仪器正常工作的问题。本发明的技术方案本发明的新型无机热防护结构包括铝合金基体、隔热层和防热层，其隔热层是在铝合金基体上缠绕的多层石英编织的中空套管构成的多孔隙交错的空间网状结构；防热层为氮化硅粉体压制成的与隔热层匹配的型体；隔热层外套接防热层。所述的新型无机热防护结构，其隔热层的石英编织套管参数及技术指标为石英纤维单丝直径510pm，纯度Si02含量^99.9%以上；套管内径0.5mm1.0mm。所述的石英编织套管采用湿法缠绕，套管间距14mm;由内向外包括内环向缠绕层，厚Hl-l4mm;中间螺旋缠绕层厚H2=2035mm，螺旋角为70。85。；外环向缠绕层厚H3=520mm。戶/M的氮化硅防热层厚度2mm4mm。新型无机热防护结构的制作方法，步骤如下(1)防热层制作对氮化硅粉体调制，压力压制预成型体，再进行等静压压制，最后反应烧结而成；(2)隔热层制作预处理石英编织的套管，在铝合金基体上进行湿法缠绕石英纤维套管各层，最后进行晾置和固化；(3)连接步骤在氮化硅防热层和石英隔热层之间涂上胶粘剂，旋转粘接，再固化，最后用复合陶瓷螺栓连接。所述的新型无机热防护结构的制作方法，步骤(1)中对氮化硅材料成型采用等静压压制和反应烧结，压制压力为100MPa250MPa，烧结温度150(TC1800。C。所述的新型无机热防护结构的制作方法，其歩骤(1)中对石英纤维套管湿法缠绕后，在7(TC12(TC温度固化1214小时。所述的新型无机热防护结构的制作方法，其歩骤(3)中氮化硅套筒内表面及石英隔热层外表面均匀涂胶后，旋转粘结在-起，然后进行60°C120°C/6h固化，最后用复合陶瓷螺栓连接。所述的新型无机热防护结构的制作方法，其步骤(1)中对石英纤维套管湿法缠绕后固化缠绕好的舱段常温晾置24小时后，按照80°C/2h、120°C/10h固化。本发明具有以下技术效果本发明新型无机防热结构平均密度低，强度好，热物理性能优异，防热材料一氮化硅采用等静压反应烧结工艺制备，材料抗烧蚀、抗氧化性好，强度高；石英纤维套管釆用湿法缠绕而成，成型方法简单快捷，材料密度低，弯曲强度值高，热导率低、比热容大、线膨胀、材料线烧蚀指标达到预期设计要求。结构隔热效果好，且结构表面烧蚀现象较少，未出现裂纹、分层等缺陷。(1)采用氮化硅材料作为防热材料，反应烧结成氮化硅陶瓷，耐5高温性能好，使用温度1900。C，高比模、高比强、抗烧蚀，抗热震，抗冲刷性能好，抗氧化性能好。采用等静压工艺方法制作的氮化硅材料密度均匀，各向性能好，能够满足飞行器在大气层中高速飞行时的气动加热环境要求，良好的气动外形保证了精确的打击精度。(2)采用石英纤维套管进行隔热，由于石英材料具有低密度、耐烧蚀、热导率低，抗热震性能好、耐高温等优点，用其制作隔热材料，能满足飞飞行器的高热流、中焓值的使用要求。采用石英纤维制作的石英编织套管作为隔热层材料，能够降低隔热层的密度，同时，采用石英纤维编织成内部中空的管状材料，由于内部为空心结构，能够提高隔热效果，石英材料本身具有耐高温、低热导率、耐烧蚀等特性，强化防隔热效果，石英纤维编织的套管的使用温度120(TC，热导率低，强度高，密度低。(3)采用湿法缠绕工艺采用湿法缠绕工艺，工艺上简单、成熟，通过改变缠绕参数，加工出多孔隙交错的空间网状结构，降低了材料密度，降低了隔热层的热导率，提高了隔热效果。图1是本发明的结构示意图。图2是铝合金基体上缠绕的多层石英纤维套管构成的多孔隙交错的空间网状结构示意图。具体实施例方式如图l:本发明的新型无机热防护结构包括铝合金基体1、隔热层2和防热层3，其隔热层是在铝合金基体上缠绕的多层石英编织的中空套管构成的多孔隙交错的空间网状结构；防热层为氮化硅粉体压制成的与隔热层匹配的型体。隔热层2外套接防热层3。在铝合金基体上缠绕的石英编织的中空套管至少5层石英纤维套管参数及技术指标为石英纤维单丝直径510pm，纯度Si02含量S99.9o/o以上；套管内径0.5mm1.0mm;浸润齐U:环氧型。如图2:石英纤维套管采用湿法缠绕，套管间距l4mm;由内向外包括第一层是内环向缠绕层2a，厚HK4mm;第二层是中间螺6旋缠绕层2b，厚H2-2035mm，螺旋角为70。85。；第三层是外环向缠绕层2c，厚H3:520mm。氮化硅防热层厚度2mm4mm。本发明的新型无机热防护结构的制作方法步骤如下(1)防热层制作对氮化硅粉体调制，压力压制预成型体，再进行等静压压制，最后反应烧结而成；(2)隔热层制作预处理石英纤维套管，在铝合金基体上进行湿法缠绕石英纤维套管各层，最后进行晾置和固化；(3)连接步骤在氮化硅防热层和石英隔热层之间涂上胶粘剂，旋转粘接，再固化，最后用复合陶瓷螺栓4连接。步骤(1)中对氮化硅材料成型采用等静压压制和反应烧结，压制压力为100MPa250MPa，烧结温度1500°C1800°C。步骤(2)中对石英纤维套管采用湿法缠绕，套管间距l4mm;由内向外包括第一层是内环向缠绕层，厚H144mm;第二层是中间螺旋缠绕层厚H2-2035mm，螺旋角为70。85。；第三层是外环向缠绕层厚H3=520mm;再按照70°C120°C/1214h固化。步骤(3)中氮化硅套筒内表面及石英隔热层外表面均匀涂胶后，旋转粘结在一起，然后进行6(TC12(TC/6h固化，最后用复合陶瓷螺栓连接。实施例l:新型无机热防护结构舱段防热试验件，其歩骤为1.防热层制作a)调制氮化硅粉体。b)压制用模具对粉体进行压制成型。C)等静压压制对坯料进行等静压压制，对坯料进行等静压压制成型，压力控制150MPa士10MPa。d)烧结按照烧结温度180(TCi3(TC进行烧结成型。e)磨削磨削加工至尺寸，氮化硅防热层厚度4mm。2.隔热层制作a)铝合金基体处理丙酮清洗，喷砂粗化处理。b)涂胶处理后的铝合金表面涂一薄层硅橡胶胶粘剂。C)缠绕成形按照八1203、Si02和Na2Si03二lg:3ml固相和液相比例配制高温无机胶水，石英纤维套管蘸高温无机胶水，在铝合金基体1上由内向外缠绕，参数设定第一层内环向缠绕层2a层厚2mm+第二层中间螺旋缠绕层2b厚21mm+第三层外环向缠绕层厚2c厚10mm湿法缠绕叠加而成；第二层中间螺旋缠绕层螺旋角约75°，套管间距2mm。d)固化缠绕好的舱段常温晾置24小时后，按照80°C/2h、120°C/10h固化。e)切割、磨削至规定尺寸。3.粘接、螺栓连接:按照Al20^t]Si02:Na2Si03比例2.5g:lml配制高温无机胶，再粘接氮化硅套筒和石英套管缠绕的隔热层，最后用复合陶瓷螺栓连接加固。按照以上加工方法实施后，进行结构性能检测和热流试验测试，检测结果见下表。a)密度(GB1463-88)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>15126.7128IIO(TC，表面无明显烧蚀实施例2舱段热防护试验件2，防热层厚度2mm，隔热层厚度42mm，其步骤为-l.防热层制作a)调制氮化硅粉体。b)压制用模具对粉体进行压制成型。c)等静压压制。对坯料进行等静压压制成型，压力控制150MPa士10MPa。d)烧结按照烧结温度180(TCi3(TC进行烧结成型。e)磨削按照铝合金基体尺寸配磨削加工至所需尺寸。2.隔热层制作a)铝合金舱段表面处理丙酮清洗，喷砂粗化处理。b)涂胶处理后的铝合金舱段蒙皮表面涂一薄层硅橡胶胶粘剂。c)缠绕成形先按照Al203和Si02:Na2Si03=lg:3ml配制高温无机胶。然后将舱段装夹到缠绕机上，将石英纤维套管由内向外缠绕到铝合金舱段的上缠绕参数第一层内环向缠绕层2a层厚3mm+第二层中间螺旋缠绕层2b厚38mm+第三层外环向缠绕层厚2c厚15mm湿法缠绕叠加而成，缠绕参数螺旋缠绕层螺旋角约85°，套管间距3mm。d)固化缠绕好的舱段常温晾置24小时，按照80°C/4h+120°C/10h固化。e)切割、磨削至规定尺寸。3.粘接、螺栓连接先按照Al20^tlSi02:Na2Si03=2.5g:lml配制高温无机胶，再套接氮化硅陶瓷外套筒与石英套管缠绕的隔热层粘接，最后用复合陶瓷螺栓连接。按照以上加工方法实施后，进行结构性能检测和热流试验测试，检测结果见下表。A)密度(GB1463-88)名称指标密度0.98g/cm3B)石英隔热材料性能指标名称指标9弯曲强度3550MPa拉伸强度1.52.5MPa弹性模量1320GMPa断裂应变￡t(%)0.020.03线膨胀系数10,°C(100800°C)2.60一2.75比热容Cp(J/g'K)(100900°C)1.081,22线烧蚀mm/s0.29热导率W/nvk(50300°C)0.190.33C)热流试验编隔热结构厚时间Tl(°C)T2(。C)备注号度t(mm)(min)1288.687加热温度是150158182U00°C，表面无明显烧蚀实施例3:采取不同厚度，不同间距和不同缠绕参数进行试验，内环向缠绕层层厚14mm;中间螺旋缠绕层厚2035mm;外环向缠绕层厚520mm;中间螺旋缠绕层螺旋角约70°~85。，套管间距14mm。情况如下实施例表序隔热结构厚度t缠绕方式螺旋套管间弥iit弯曲强度热流试验p.(mm)角距mm度(MPa)、7Hffr。厂'120螺旋缠绕70°11.123242140145230环向缠绕十75°1.51.09324503108螺旋缠绕35环向缠绕+80。2.50.9630479498螺旋缠绕445环向缠绕+83°30.9530509295螺旋缠绕10555环向缠绕十85°40.9230508993螺旋缠绕缠绕方式采用环向缠绕和螺旋缠绕相结合，轴向和环向综合力学性能较好；套管间距对材料的密度、强度、隔热性能有影响，间距越大，形成的空间网格孔隙越大，密度越低，隔热效果越好，但强度降低。权利要求1.一种新型无机热防护结构，包括铝合金基体、隔热层和防热层，其特征在于隔热层(2)是在铝合金基体(1)上缠绕的多层石英编织的中空套管构成的多孔隙交错的空间网状结构；防热层(3)为氮化硅粉体压制成的与隔热层匹配的型体；隔热层(2)外套接防热层(3)。2.根据权利要求1所述的新型无机热防护结构，其特征在于隔热层(2)的石英编织套管参数及技术指标为石英纤维单丝直径510pm，纯度Si02含量299.9。/。以上；套管内径0.5mm1.0mm。3.根据权利要求1或2所述的新型无机热防护结构，其特征在于-石英编织套管采用湿法缠绕，套管间距14mm;由内向外包括内环向缠绕层，厚Hl-l4mm;中间螺旋缠绕层厚H2=2035mm，螺旋角为70。85。；外环向缠绕层厚H3二520mm。4.根据权利要求1或2戶诚的新型无机热防护结构，其特征在于氮化硅防热层厚度2醒4腿。5.—种权利要求14所述的任一新型无机热防护结构的制作方法，步骤如下(1)防热层制作对氮化硅粉体调制，压力压制预成型体，再进行等静压压制，最后反应烧结而成；(2)隔热层制作预处理石英编织的套管，在铝合金基体上进行湿法缠绕石英纤维套管各层，最后进行晾置和固化；(3)连接歩骤在氮化硅防热层和石英隔热层之间涂上胶粘剂，旋转粘接，再固化，最后用复合陶瓷螺栓连接。6.根据权利要求5所述的新型无机热防护结构的制作方法，其特征在于步骤(1)中对氮化硅材料成型采用等静压压制和反应烧结，压制压力为100MPa250MPa，烧结温度1500°C1800°C。7.根据权利要求5或6所述的新型无机热防护结构的制作方法，其特征在于，步骤(l)中对石英纤维套管湿法缠绕后，在7(TC12(TC温度固化1214小时。8.根据权利要求5或6所述的新型无机热防护结构的制作方法，其特征在于步骤(3)中氮化硅套筒内表面及石英隔热层外表面均匀涂胶后，旋转粘结在一起，然后进行60'C12(TC/6h固化，最后用复合陶瓷螺栓连接。9.根据权利要求5或6所述的新型无机热防护结构的制作方法，其特征在于步骤(1)中对石英纤维套管湿法缠绕后固化缠绕好的舱段常温晾置24小时后，按照8(TC/2h、12(TC/10h固化。全文摘要本发明公开了一种新型无机热防护结构及其制作方法，包括铝合金基体、隔热层和防热层，隔热层是在铝合金基体上缠绕的多层石英纤维编织的中空套管构成的多孔隙交错的空间网状结构；防热层为氮化硅粉体压制成的与隔热层匹配的型体。石英纤维套管内径0.5mm～1.0mm。石英纤维套管采用湿法缠绕，套管间距1～4mm；由内向外包括内环向缠绕层厚H1＝1～4mm，螺旋缠绕层厚H2＝20～35mm，外环向缠绕层厚H3＝5～20mm；螺旋缠绕层厚缠绕参数为螺旋角75～85°，层间绕向相反叠加而成。氮化硅防热层厚度2mm～4mm。文档编号B64C1/00GK101648598SQ200910063938公开日2010年2月17日申请日期2009年9月10日优先权日2009年9月10日发明者佘平江,冯昌文,胡良元,魏小平申请人:国营江北机械厂