本发明涉及热防护技术领域，特别是涉及一种梯度隔热层及其制备方法和装置。
背景技术：
高速飞行发动机在工作时，燃烧室壁面温度高达3000k，为了保护发动机外的金属工件及其周边电子设备，需要在燃烧室外壁和工件内壁包覆耐高温的隔热材料进行热防护，包覆隔热材料后在将圆筒状燃烧室和圆筒状工件进行套装。
为减小气体对流传热，燃烧室和圆筒状工件套装间隙通常小于0.5mm。而圆筒状工件长度在1.5～2米，所以对圆筒状工件内壁的梯度隔热层形面提出很高精度要求。梯度隔热层选用刚性材料便于进行加工，但在发动机工作时的强热振环境下易发生破碎。选用柔性材料能满足振动但无法精加工，表面粗糙且强度差，无法进行套装。同时圆筒状工件工作时具有热膨胀特性，也要求隔热材料为一个整体不可切割成多块，避免缝隙过多造成隔热失效。此外圆筒状工件焊接后两侧法兰经过加工，而内壁面需要包覆隔热材料的凹槽存在凹凸不平现象，如何保证材料与内壁粘贴紧密也是难题。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于，提供一种隔热材料及其制备方法和装置，所要解决的技术问题是，提供一种具有梯度硬度的梯度隔热层，使梯度隔热层同时兼具刚性和柔性，柔性，保证梯度隔热层与工件内壁紧密粘贴，保护在发动机强振动工作环境下不发生破碎；刚性，使得制备得到的隔热层便于后续的机加工，且便于与燃烧室的嵌套，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
依据本发明提出的一种梯度隔热层的制备方法，包括，步骤一：根据待隔热的工件内表面的大小，剪裁两张或两张以上的隔热材料；步骤二：在工件内表面涂抹第一粘结剂，将剪裁好的隔热材料依次粘贴于工件内表面，用粘结剂将相邻两张隔热材料粘结；步骤三：粘贴完成后，向所述的隔热材料的表面喷洒两种或两种以上不同浓度的浸渍液，所述的浓度为质量浓度；干燥后，即得到所述的梯度隔热层，所述的隔热材料为柔性多孔隔热材料，所述的浸渍液为干燥后具有硬化特性的液体，所述的不同浓度的浸渍液的喷洒顺序为从高到低。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的一种梯度隔热层的制备方法，其中所述的步骤二中，在所述的工件内表面涂抹第二粘结剂，干燥后，涂抹第一粘结剂，再将剪裁好的隔热材料依次粘贴于工件内表面，所述的第一粘结剂与所述的第二粘接的种类可以相同，也可以不相同。
优选的，前述的一种梯度隔热层的制备方法，其中所述的步骤二中，对所述的隔热材料的表面进行辊压。优选的，前述的一种梯度隔热层的制备方法，其中所述的步骤二还包括，粘贴完成后，对所述的隔热材料的进行表面改性，所述的表面改性的方法为，向所述的隔热材料表面喷洒清水，至表面全部浸湿。
优选的，前述的一种梯度隔热层的制备方法，其中所述的浸渍液包括硅溶胶、铝溶胶和/或树脂类粘结剂。
优选的，前述的一种梯度隔热层的制备方法，其中所述的浸渍液的浓度为10％-70％。
优选的，前述的一种梯度隔热层的制备方法，其中所述的隔热材料包括陶瓷纤维纸、陶瓷纤维毯、气凝胶毡和/或碳纤维毡。
优选的，前述的一种梯度隔热层的制备方法，其中所述的单张隔热材料的厚度为0.5～10mm。
优选的，前述的一种梯度隔热层的制备方法，其中所述的梯度隔热层的厚度为2～200mm。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。
依据本发明提出的一种梯度隔热层，所述的梯度隔热层由上述中任一项所述的梯度隔热层的制备方法制备而得。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。
依据本发明提出的一种隔热工件，所述的隔热工件包括工件和梯度隔热层，所述的梯度隔热层粘贴于所述工件的内表面，所述的工件为上述的工件，所述的梯度隔热层为上述任一项所述的梯度隔热层。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。
依据本发明提出的一种用于燃料燃烧的装置，所述的装置包括隔热工件和燃烧室，所述的燃烧室嵌套在所述的隔热工件内，所述的隔热工件为上述的隔热工件。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。
依据本发明提出的一种发动机，所述的发动机包含有上述的燃料燃烧装置。本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。
依据本发明提出的一种梯度隔热层的制备装置，根据上述的梯度隔热层，其制备装置包括，台架系统、辊轴、支撑定位系统、干燥系统和电控系统，其中，所述的台架系统为工件提供支撑和旋转动力，包括基座、驱动减速电机、离合器、驱动支撑轮和从动支撑轮；所述的支撑定位系统与所述的辊轴连接，用于固定所述的辊轴；所述的干燥系统包括干燥器，用于浸渍液和粘结剂的干燥。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的一种梯度隔热层的制备装置，对其中所述的辊轴进行表面处理，所述的表面处理的方法为，在辊轴的表面喷涂不粘涂层。
借由上述技术方案，本发明提供的一种梯度隔热层及其制备方法和装置，至少具有下列优点：
1、本发明提供了一种硬度渐变的梯度隔热层，更加适用于实际应用。
现有的隔热材料分为柔性隔热材料和刚性隔热材料，其中，柔性隔热材料便于施工但无法机加工，此处的“机加工”为对制备成的梯度隔热层进行精加工，以保证其具有合格的圆柱度。刚性隔热材料便于机加工但不满足施工和抗振动要求，尤其是大尺寸隔热材料与圆筒状工件整体式粘接容易发生脱空现象。本发明提供了一种硬度渐变的梯度隔热层，以梯度隔热层与工件接触的一面为梯度隔热层的内表面，另一面为梯度隔热层的外表面，本发明提供的梯度隔热层的硬度由内到外逐渐增大，在与圆筒状工件接触的内表面呈柔性，可吸收工作时产生的强机械振动应力，保持材料结构完整；而越靠近外表面则刚性越强，能够对其进行机加工从而满足精度和套装需求。
2、本发明进一步提供了一种梯度隔热层的制备方法及其装置。
本发明提供的梯度隔热层的制备方法，通过包覆施工台架将柔性隔热材料整体包覆在大尺寸的工件内部，经浸渍、干燥、固化后形成整体柔性而表面层呈刚性特点的梯度隔热层。这种包覆方法与装置，使工件可以随意的进行转动，便于在大尺寸工件内部进行施工。采用辊压定位干燥方法，可以使柔性隔热材料与工件的不规则表面贴合的非常紧密，并且在干燥过程中不会发生局部脱胶而造成脱空现象。多次辊压、浸渍、干燥的过程可以使材料表层强度形成由表及里呈刚性到柔性的渐变式的梯度分布，使结合面为柔性从而满足工件工作时的振动要求，而表层呈一定刚性又能满足加工精度和套装要求。
3、本发明进一步提供了包含有上述梯度隔热层的隔热工件、燃料燃烧装置、以及发动机。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明实施例梯度隔热层的制备装置示意图。
11基座，12驱动减速电机，13离合器，14驱动支撑轮，15从动支撑轮，21辊轴，22支撑架，31旋转支撑臂，32干燥器，4工件。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种梯度隔热层及其制备方法和装置，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
本发明提供了一种梯度隔热层的制备方法。
本发明提供的一种梯度隔热层的制备方法，包括，步骤一：根据待隔热的工件内表面的大小，剪裁两张或两张以上的隔热材料；步骤二：在工件内表面涂抹第一粘结剂，将剪裁好的隔热材料依次粘贴于工件内表面，用粘结剂将相邻两张隔热材料粘结；步骤三：粘贴完成后，向所述的隔热材料的表面喷洒两种或两种以上不同浓度的浸渍液，所述的浓度为质量浓度；干燥后，即得到所述的梯度隔热层，所述的隔热材料为柔性多孔隔热材料，所述的浸渍液为干燥后具有硬化特性的液体，所述的不同浓度的浸渍液的喷洒顺序为从高到低。
本发明中工件4，为所述的梯度隔热层的粘贴基体。例如，嵌套于燃烧室外面的工件。工件的内表面，优选为圆柱形，工件的长度，优选为1.5-2米。优选的，所述的柔性多孔隔热材料为纤维质隔热材料、颗粒型隔热材料，以及包含上述柔性多孔隔热材料的复合材料。其中，纤维质隔热材料，包括石英纤维、硅酸盐纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、碳纤维、石墨纤维等，制品的形式包括纤维毡、纤维布、纤维网、纤维纸、纤维毯等。颗粒型隔热材料，具有空心结构，例如，二氧化硅气凝胶颗粒。所述的浸渍液，优选为固化剂，如脂肪胺类固化剂、芳香胺类固化剂、改性胺类固化剂、低分子聚酰胺类固化剂等，优选为常温固化的固化剂。此处的“两种或两种以上”是针对“浓度”限定，即，喷洒不同浓度的浸渍液，而并非是对“浸渍液”种类的限定。
进一步的，本发明的提供的一种梯度隔热层的制备方法，其中所述的步骤二中，在所述的工件内表面涂抹第二粘结剂，干燥后，涂抹第一粘结剂，再将剪裁好的隔热材料依次粘贴于工件内表面。
向工件内表面均匀涂抹第二粘结剂，第二粘结剂优选为固相质量分数为5-65％的粘结剂，使工件内表面形成一层均匀的薄膜。因为采用的柔性隔热材料是多孔材料，很容易将粘接剂吸附到孔内造成局部粘接脱空现象，所以本步骤的目的是在隔热材料和工件之间先形成一层界面层，以便于隔热材料粘接的更加牢靠。第二粘结剂干燥后，继续涂抹第一粘结剂，用于将剪裁好的隔热材料完整的粘贴在工件的内表面。所述的第一粘结剂和/或所述的第二粘结剂优选为有机粘结剂，例如白乳胶、108胶等，也可以选自无机粘接剂如磷酸铝、水玻璃等。
进一步的，本发明的提供的一种梯度隔热层的制备方法，其中所述的步骤二中，对所述的隔热材料表面进行辊压。
本发明所述的柔性隔热材料，尤其是纤维质材料，表面很多纤维的取向是垂直于表面的，形成许多类毛细管，浸渍液直接喷洒在表面会形成水滴状无法向材料内部进行渗透。对隔热材料的表面进行辊压，例如用本发明的制备装置中的辊轴进行辊压后，可使竖直纤维发生弯曲从而消除表面毛细管作用，使浸渍液渗透更加均匀。此处的辊压，可以在将隔热材料粘贴于工件内表面之前进行辊压，也可以在将隔热材料粘贴于工件内表面之后进行辊压，优选的，在将隔热材料粘贴于工件内表面之后进行辊压。优选的，对每张隔热材料都进行辊压。
进一步的，本发明的提供的一种梯度隔热层的制备方法，所述的步骤二还包括，粘贴完成后，对所述的隔热材料的进行表面改性，所述的表面改性的方法为，向所述的隔热材料表面喷洒清水，至表面全部浸湿。
优选的，在对隔热材料表面进行辊压的同时，在隔热材料表面均匀喷洒清水，使隔热材料的表面全部浸湿。水可以使纤维软化，本步骤的作用是在辊压作用下使表面竖直纤维发生弯曲从而减少表面张力和毛细管作用。均匀浸湿后，一边辊压一边加热进行干燥。
进一步的，本发明提供的一种梯度隔热层的制备方法，所述的浸渍液包括硅溶胶、铝溶胶和/或树脂类粘结剂。所述的硅溶胶包括有机硅溶胶和无机硅溶胶；所述的树脂类粘结剂优选为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰胺树脂等。
进一步的，本发明提供的一种梯度隔热层的制备方法，所述的浸渍液的浓度为10％-70％。
进一步的，本发明提供的一种梯度隔热层的制备方法，所述的隔热材料包括陶瓷纤维纸、陶瓷纤维毯、气凝胶毡和/或碳纤维毡。
进一步的，本发明提供的一种梯度隔热层的制备方法，单张隔热材料的厚度为0.5～10mm。
所述的单张隔热材料的厚度优选为1～5mm。
进一步的，本发明提供的一种梯度隔热层的制备方法，所述的梯度隔热层的厚度为2～200mm。
梯度隔热层厚度根据包覆工件的凹槽深度可在2～200mm内进行调整。
本发明提供了一种梯度隔热层，所述的梯度隔热层由上述制备方法制备而得。本发明还进一步提供了包含有上述梯度隔热层的隔热工件、燃料燃烧装置、以及发动机。
本发明提供了一种梯度隔热层的制备装置。
根据上述的梯度隔热层，本发明提供的梯度隔热层的制备装置，包括，台架系统、辊轴、支撑定位系统、干燥系统和电控系统，其中，所述的台架系统为工件提供支撑和旋转动力，包括基座11、驱动减速电机12、离合器13、驱动支撑轮14和从动支撑轮15；所述的支撑定位系统与所述的辊轴21连接，用于固定所述的辊轴；所述的干燥系统包括干燥器，用于浸渍液和粘结剂的干燥。
优选的，所述的离合器为齿形离合器，所述的干燥器为加热器。
本发明提供的隔热装置的使用方法为：
1)包覆准备。将圆筒状工件放在包覆施工台架上，精确测量待包覆隔热材料位置的尺寸并按照测量尺寸裁减相应的隔热材料；包覆施工台架有4个支撑轮，工件可在轮子上自由转动，便于操作人员钻入工件进行操作；
2)界面处理。将固相质量分数为5-65％的粘接剂在圆筒状工件内表面涂刷均匀。开启旋转和电加热将粘接剂进行干燥，使圆筒状工件表面形成一层均匀的薄膜。因为采用的柔性隔热材料是多孔材料，很容易将粘接剂吸附到孔内造成局部粘接脱空现象，所以本步骤的目的是在隔热材料和工件之间先形成一层界面层，以便于隔热材料粘接的更加牢靠；
3)粘贴梯度隔热层。继续在圆筒状工件内表面均匀涂抹一层粘接剂，并将裁剪好的柔性隔热材料完整粘贴在工件内表面；
4)辊轴固定。将辊轴放置在梯度隔热层上，并通过支撑架进行固定和限位；
5)辊压及干燥。开启旋转和电加热按钮，使辊压轮在隔热材料表面滚压的同时进行干燥。在本步骤辊压轮的作用下，隔热材料被压缩发生变形，一方面隔热材料有一个不断向下的按压力保证与工件表面贴合更加紧密。另一方面柔性材料会将工件表面的相对凹坑处填平；
6)粘贴所有隔热材料。重复步骤3-5，直至每层隔热材料全部包覆完成；
7)表面改性。在开启辊轮的同时，在隔热材料表面均匀喷洒清水，并使表面全部浸湿。水可以使纤维软化，本步骤的作用是在辊压作用下使表面竖直纤维发生弯曲从而减少表面张力和毛细管作用。均匀浸湿后，一边辊压一边开启电加热进行干燥。
8)配置浸渍液。在浓度为10％-70％(质量分数)范围内配置不同浓度梯度的浸渍液；
9)喷洒浸渍液。开启旋转功能，使辊轮继续对隔热材料进行滚压。将配置好的浸渍液喷洒或涂刷在辊轴的待滚动侧，直至辊轴与隔热材料接触面有少量积液出现；
10)干燥。开启电加热进行干燥。辊轴滚压至表面无积液后将辊轴撤掉，继续使工件旋转烘干；
11)喷洒浸渍液。重复步骤7-9，直至隔热材料表面达到一定的硬化强度。不同浓度浸渍液喷洒的顺序是由高到低，便于在材料内部形成梯度硬化层结构。
进一步的，本发明提供的梯度隔热层的制备装置，对所述的辊轴进行表面处理，所述的表面处理的方法为，在辊轴表面喷涂不粘涂层。
辊轴的材质，优选为金属，使其具备一定的质量。为防止辊轴在辊压过程中与隔热材料表面发生粘连，在辊轴表面喷涂不粘涂层。使金属材质的辊轴不与隔热材料直接接触，防止发生粘连。此处的“不粘涂层”优选为聚四氟乙烯。
实施例
本实施例提供了一种利用本发明提供的梯度隔热层的制备装置制备所述的梯度隔热层及其制备方法。本实施例提供的装置如图1所示。
本实施例提供的一种圆筒状工件用梯度隔热层及其包覆方法与装置，可在大尺寸圆筒状工件上进行应用。工件长度为1.9米，直径0.5米，工件筒体为焊接，包覆隔热材料的凹槽设计深度为7mm，实际存在凹凸不平现象，最大高差为1.2mm，最大包覆尺寸为7.8mm。具体实施方案为将多层隔热材料在工件内进行粘接然后进行梯度硬化。
其中，根据工件的工作温度，隔热材料选用氧化铝纤维纸和硅酸铝纤维纸。根据包覆尺寸，选用氧化铝纤维纸厚度3mm，层数1层。选用硅酸铝纤维纸厚度2mm，层数2层。粘接剂选择市售有机胶108胶。浸渍液选择硅溶胶。硅溶胶初次浸渍的浓度为70％，每重复一次浓度降低10％，以便于浸渍液能够在材料内部均匀渗透。
圆筒状工件用梯度隔热层具体是通过以下包覆方法制备而成，具体的实施步骤为：
1)包覆准备。将圆筒状工件放在包覆施工台架上，精确测量待包覆隔热材料位置的尺寸并按照测量尺寸裁减相应的隔热材料；
2)界面处理。粘接隔热材料选用108胶。将108胶进行稀释，并在工件内表面均匀涂刷。开启旋转和电加热将粘接剂进行干燥，使表面形成一层均匀的薄膜。由于纤维纸是多孔状材料，如直接将其与工件粘接，很容易将108胶吸附到孔内造成局部出现脱空现象，所以本步骤的目的是在隔热材料和工件之间先形成一层界面层，以便于粘接的更加牢靠；
3)粘贴梯度隔热层。继续在工件内表面均匀涂抹一层粘接剂，并将裁剪好的柔性隔热材料完整粘贴在工件内表面；
4)辊轴固定。将辊轴放置在梯度隔热层上，并通过支撑架进行固定和限位。辊轴的表面镀0.5mm厚聚四氟乙烯，防止辊轴与隔热材料表面发生粘连；
5)辊压及干燥。开启旋转和电加热按钮，使辊轮在隔热材料表面滚压的同时进行干燥。旋转干燥过程中，由于辊轮给材料一个向下的压力，使材料产生一定的压缩，可使材料在工件内表面凹坑处结合紧密，防止脱空；
6)粘贴所有隔热材料。重复3次步骤3-5，直至3层隔热材料全部包覆完成；
7)表面改性。在开启辊轮的同时，在隔热材料表面均匀喷洒清水，并使表面全部浸湿。然后边辊压同时开启电加热进行干燥。
8)配置浸渍液。浸渍液选用硅溶胶对材料进行硬化。分别配置质量分数为70％、60％、50％、40％、30％的硅溶胶；
9)喷洒浸渍液。开启旋转功能，使辊轮继续对隔热材料进行滚压。将配置好的浸渍液喷洒在辊轴的待滚动侧，直至辊轴与隔热材料接触面有少量积液出现；
10)干燥。开启电加热进行干燥。辊轴滚压至表面无积液后将辊轴撤掉，继续使工件旋转烘干；
11)喷洒浸渍液。重复4次步骤7-9，喷洒不同浓度硅溶胶浸渍液的顺序为60％、50％、40％、30％。
通过以上方法步骤，得到了圆筒状工件梯度隔热层，其具有整体柔性而表面呈刚性的特点。材料的压缩强度可达到0.1mpa，表面可通过金刚石磨轮进行加工。加工后表面圆柱度为0.1mm，能够满足套装要求。在工作振动环境中，材料能够靠自身柔性吸收一定振动应力并使结构保持完整。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
可以理解的是，上述装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的装置解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的装置中的部件进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个装置中。可以把实施例中的部件组合成一个部件，以及此外可以把它们分成多个子部件。除了这样的特征中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何装置的所有部件进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以它们的组合实现。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或组件。位于部件或组件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件或组件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的装置来实现。在列举了若干部件的权利要求中，这些部件中的若干个可以是通过同一个部件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
本发明中所述的数值范围包括此范围内所有的数值，并且包括此范围内任意两个数值组成的范围值。例如，“梯度隔热层的厚度为2-200mm”，此数值范围包括2-200之间所有的数值，并且包括此范围内任意两个数值(例如：10、20)组成的范围值(10-20)；本发明所有实施例中出现的同一指标的不同数值，可以任意组合，组成范围值。
本发明权利要求和/或说明书中的技术特征可以进行组合，其组合方式不限于权利要求中通过引用关系得到的组合。通过权利要求和/或说明书中的技术特征进行组合得到的技术方案，也是本发明的保护范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。