使用气凝胶的绝热结构体的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及可用于航空器、车辆等的使用气凝胶的绝热结构体。
【背景技术】
[0002]作为绝热体，已知有泡沫材料如聚氨酯泡沫和酚醛泡沫(基于泡沫的绝热体)。所述泡沫材料由通过发泡所产生的它们的气泡而发挥绝热特性。然而，所述聚氨酯泡沫和酚醛泡沫一般具有比空气的导热率高的导热率。因此，有利的是使所述绝热体的导热率低于空气的导热率，用于进一步改善绝热特性。作为实现使所述导热率低于空气的导热率的方法，已知的方法有:用具有低导热率的气体(例如氯氟烃)填充发泡材料(例如聚氨酯泡沫和酚醛泡沫)的空气间隙等。然而，这种用气体填充空气间隙的方法有一个值得关注的问题:填充的气体可能随着时间从空气间隙泄露，这可能造成导热率的增加。
[0003]近年来，已提出了用于改善绝热特性的基于真空的方法。在所述方法中，例如使用硅酸钙和/或玻璃纤维的多孔材料，将它们放入气密袋中并使它们维持在约1Pa的真空状态。然而，这种基于真空的绝热方法需要维持真空状态，因此在经时劣化(temporaldeter1rat1n)和生产成本方面具有问题。此外，在基于真空的绝热体中，因为其需要维持真空状态，所以所述绝热体的形状受到限制，并因此严重限制了其应用领域。因此，基于真空的绝热体已在实际使用中受到限制。
[0004]就此而言，专利文献I公开了具有泡沫层充当绝热体的航空器的机身结构部件(body structure)，作为用于航空器等的机体(vehicle body)的具有高强度的绝热结构体。然而，在所述专利文献中所公开的结构体中，绝热层由树脂泡沫材料制成并且具有差的绝热特性，因此需要增加绝热层的厚度以实现绝热效果。此外，绝热层通过喷射在框架上形成，因此当绝热层的绝热特性减小时难以更换所述绝热层。
[0005]引用文献列表
[0006]专利文献
[0007]专利文献I JP 2010-516537 A
[0008]专利文献2:US 4402927
[0009]专利文献3:US 4432956
[0010]专利文献4:US 4610863
【发明内容】
[0011]技术问题
[0012]顺便说下，已知有微细多孔二氧化硅(所谓的气凝胶)的聚集体作为用于在常压下其导热率低于空气的导热率的绝热体的材料。该材料可通过例如US 4402927、US4432956和US 4610863中所公开的方法获得。根据这些方法，二氧化硅气凝胶可通过使用烷氧基硅烷(其也被称为“硅醇盐”和“硅酸烷基酯”)作为原料来制备。特别是，二氧化硅气凝胶可通过以下步骤获得:在溶剂的存在下水解烷氧基硅烷，由于缩合聚合而制备具有二氧化硅骨架的湿润状态的凝胶状化合物；以及在超临界条件下干燥所述湿润状态的凝胶状化合物，所述超临界条件不小于溶剂的临界点。作为溶剂，例如可使用液化二氧化碳等。
[0013]气凝胶颗粒为气凝胶的颗粒材料，具有低于空气的导热率的导热率，其可成形为各种形状并且易于处理，因此可用作绝热体的原材料。因此，可通过用粘合剂粘结气凝胶颗粒而使用所述气凝胶颗粒作为绝热体的材料。
[0014]然而，气凝胶颗粒的重量十分轻，强度差，并且脆。因为气凝胶颗粒本身脆，所以通过模制所述气凝胶颗粒而形成的绝热体具有差的强度，易于破裂、脱落或破碎。特别是，当气凝胶颗粒用作航空器、车辆、船舶、宇宙飞船等的机体的材料时，气凝胶成型体(compact)易于受损，因此可能导致绝热特性方面的缺陷或降低。为了提高强度，可能要将增强材料加入到气凝胶等中或者增加粘合剂的用量。然而，在这种情况下，所加入的增强材料或增加的粘合剂用量可能造成绝热特性的降低。考虑到以上情况，需要提高绝热体的强度同时防止其绝热特性的劣化以同时满足足够的强度和绝热特性两方面的要求。
[0015]鉴于以上情形完成了本发明，本发明的目的为提出一种强度较高并且绝热特性优异的绝热结构体。
[0016]解决问题的技术方案
[0017]根据本发明的绝热结构体包含:气凝胶层，其包含气凝胶颗粒、粘合剂和纤维；以及保持材料(retainer)，其提供于所述气凝胶层的至少一个面上并且包含纤维状物质(fiber material)和粘结剂用树脂(binder resin)。所述纤维中的每一个均为所述保持材料中所包含的所述纤维状物质之一的一部分。
[0018]优选气凝胶层中所包含的粘合剂与保持材料中所包含的粘结剂用树脂在所述气凝胶层和所述保持材料之间的界面处彼此混合。
[0019]优选纤维状物质为碳纤维。
[0020]优选气凝胶层的一个面上提供有保持材料，并且气凝胶层的另一个面上提供有纤维片材(sheet) ο
[0021 ] 优选以沿气凝胶层延伸的方式使隔热层成形。
[0022]优选保持材料上提供有用于安装于结构物上的安装(attachment)结构。
[0023]优选压缝条部件(fillet part)位于气凝胶层与保持材料之间的界面(boundary)处。
[0024]优选压缝条部件具有多孔结构。
[0025]发明的有益效果
[0026]根据本发明，气凝胶层通过包含纤维状物质的保持材料增强，因此可获得强度较高并且绝热特性优异的绝热结构体。
【附图说明】
[0027]图1为示例说明了绝热结构体的一个实施方案的一个实例的截面示意图。
[0028]图2为示例说明了绝热结构体的一个实施方案的一个实例的局部放大截面示意图。
[0029]图3为示例说明了绝热结构体的另一个实施方案的一个实例的截面示意图。
[0030]图4A为示例说明了绝热结构体的另一个实施方案的一个实例的截面示意图并且示例说明了该实施方案的整体。
[0031]图4B为示例说明了绝热结构体的上述实施方案的一个实例的截面示意图并且示例说明了该实施方案的结构体的放大部分。
[0032]图5A为用于解释说明绝热结构体的截面图。
[0033]图5B为用于解释说明绝热结构体的截面图。
[0034]图5C为用于解释说明绝热结构体的截面图。
[0035]图6A为示例说明气凝胶颗粒的实例的示意图。
[0036]图6B为示例说明气凝胶颗粒的实例的示意图。
[0037]图6C为示例说明气凝胶颗粒的实例的示意图。
[0038]图7为气凝胶颗粒的电子显微镜照片。
【具体实施方式】
[0039]气凝胶为多孔材料(多孔体)并且通过干燥凝胶以便用气体代替凝胶中所包含的溶剂而获得。气凝胶的颗粒材料被称为气凝胶颗粒。气凝胶的已知实例包括二氧化硅气凝胶、碳气凝胶和氧化铝气凝胶，其中优选使用二氧化硅气凝胶。二氧化硅气凝胶具有优异的绝热特性，易于制备，生产成本低，因此与其它类型的气凝胶相比更易于获得。注意，通过将凝胶中的溶剂完全蒸发而制备的具有含空气间隙的网状结构的材料可被称为“干凝胶”，但本申请说明书的气凝胶可包括该干凝胶。
[0040]图6A至6C示出了气凝胶颗粒的一个实例的示意图。如图6A和6B中所示，气凝胶颗粒A为二氧化硅气凝胶颗粒，并且为具有尺寸为约几十纳米(例如，在20至40nm的范围内)的孔的二氧化硅(S12)结构。所述气凝胶颗粒A可通过超临界干燥等获得。气凝胶颗粒A通过彼此粘结以形成三维网状的微细的微粒P ( 二氧化硅微粒)构成。一个二氧化硅微粒的尺寸为例如约I至2nm。如图6C中所示，使气体G进入气凝胶颗粒A的尺寸为约几十纳米的孔内。这些孔阻止了空气中的组分(例如氮气和氧气)的转移，因此可将导热率降低至低于空气的导热率的程度。例如，提供有空气的常规绝热体具有35至45mW/m.Κ的导热率(WLF) λ，但是通过气凝胶颗粒A可将绝热体的导热率(WLF) λ降低至约9至12mW/m-Ko典型地，气凝胶颗粒A具有疏水特性。例如，在图6B中所示的二氧化硅气凝胶颗粒中，硅原子(Si)中的大多数键合至一个或多个烷基(甲基，CH3),并且其中的少数键合至一个或多个羟基(OH)。因此这种二氧化硅气凝胶颗粒具有比较低的表面极性。
[0041]图7是二氧化硅气凝胶颗粒的电子显微镜照片。该二氧化硅气凝胶颗粒通过超临界干燥方法获得。由该照片还可理解二氧化硅气凝胶颗粒具有三维立体网状结构。气凝胶颗粒A的网状结构通常由线性粘结的尺寸小于1nm的二氧化硅微粒形成。注意，网状结构可能具有模糊的微粒间边界，所述网状结构的某一部分可由线性延伸的二氧化硅结构(-O-S1-O-)形成。
[0042]用于绝热结构体的气凝胶颗粒不受特别的限制，可使用通过通常使用的生产方法获得的气凝胶颗粒。气凝胶颗粒的典型实例包括:通过超临界干燥方法获得的气凝胶颗粒；以及通过常压干燥方法获得的气凝胶颗粒。
[0043]通过超临界干燥方法获得的气凝胶颗粒可通过以下步骤获得:将原料通过溶胶-凝胶方法(其为液相反应方法)聚合而制备二氧化硅颗粒；以及通过超临界干燥移除其溶剂。例如，使用烷氧基硅烷(其也被称为“硅醇盐”或“硅酸烷基酯”)作为原料。在溶剂的存在下水解烷氧基硅烷，由于缩合聚合而产生具有二氧化硅骨架的湿润状态的凝胶状化合物，并随后将该湿润状态的凝胶状化合物在超临界条件下干燥，其中所述超临界条件的温度和压力等于或大于所述溶剂的临界点的温度和压力。溶剂可为醇、液化二氧化碳等。通过将凝胶化合物在超临界条件下干燥，移除其溶剂同时维持凝胶的网状结构，结果可获得气凝胶。气凝胶颗粒(其为气凝胶的颗粒材料)可通过将含溶剂的凝胶粉碎成颗粒、以及其后通过超