一种具有泡沫-粉末夹芯结构的高温隔热复合材料的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有泡沫?粉末夹芯结构的高温隔热复合材料，其特征在于由芯材、陶瓷基复合材料壳层和粘结层构成，芯材为陶瓷粉末填充的多孔陶瓷泡沫，所填充的陶瓷粉末具有多层结构，由上至下依次为碳化硅层、单斜相氧化锆层、α相氧化铝层、单斜相氧化锆层和氧化硅层，陶瓷基复合材料壳层为碳纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料、碳化硅纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料，粘结层位于壳层和芯材之间。该材料导热系数低，能够在超高温度(≤2000℃)环境下使用，随着温度的升高材料导热系数变化不明显，且充分考虑各组分粉体优点进行结构化设计，使得复合材料的隔热性能达到最优。
【专利说明】
一种具有泡沬-粉末夹芯结构的高温隔热复合材料
技术领域
[0001]本发明涉及一种复合材料，特别是涉及一种具有泡沫-粉末夹芯结构的高温隔热复合材料。
【背景技术】
[0002]刚性隔热瓦作为美国航天飞机大面积热防护材料，其有效性和可靠性已经被广泛证实。隔热瓦性能改进后，不断在X-43A、X-37B、X-51A等高超声速飞行器上得到应用。刚性隔热材料由互相搭接的纤维形成的多孔结构，具有密度小、热导率低、力学性能相对较高、综合性能好等优点。但是由于陶瓷纤维耐温性能差，因此使用温度局限在I 200°C以下。近年来，各国正在研制开发新型的热防护系统。一种陶瓷泡沫芯材作为热防护芯材广泛应用于航天飞行器，美国John H等人的一篇《Improved Fabricat1n of Ceramic MatrixComposite/Foam Core Integrated Structures》报道了C/SiC复合材料夹层碳化娃泡沫用作热防护层。但是由于碳化硅泡沫芯材空隙较大，在高温下热辐射传热占主导作用，导热系数随着温度的上升迅速增大，导致材料必须很厚才能起到隔热效果。
[0003]本发明通过陶瓷粉末填充陶瓷泡沫中的空隙，降低保温芯材中的空隙大小，将原陶瓷泡沫中大孔变为微孔，能够有效降低材料在高温下的辐射传热影响，从而使得该保温材料在高温下依然具有较低的热导率。在本发明所填充的粉体中最上层为碳化硅粉体层，由于最上层温度最高，碳化硅熔点在2700°C，且其高温下稳定，具有优异的红外吸收/反射特性，将其用于最上层将充分吸收并反射红外辐射。单斜相氧化锆层正是利用其在高温下相变收缩特性(单斜相ZrO2在1000 °C下转变成四方相氧化锆且伴随着3-5 %体积收缩)使得其在高温下形成一层薄薄的空气层，增大热阻，阻隔热量传递，大大降低其导热系数。α相氧化铝层具有热力学稳定性，且其热导率低，将其作为中间层保温。由于氧化硅本身具有极低的热导率，其熔点为1600°C，故采用氧化硅层作为最底层，实现材料结构优化。此种结构设计将大大减少材料的厚度，节省体积空间，提高隔热效能。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是克服上述缺陷，提供了一种具有夹层结构的高温隔热复合材料。
[0005]为实现本发明的目的所采用的技术方案是:一种具有泡沫-粉末夹芯结构的高温隔热复合材料，其特征在于由芯材、陶瓷基复合材料壳层和粘结层构成，芯材为陶瓷粉末填充的多孔陶瓷泡沫，所填充的陶瓷粉末具有多层结构，由上至下依次为碳化硅层、单斜相氧化锆层、α相氧化铝层、单斜相氧化锆层和氧化硅层，其中碳化硅层中颗粒直径为1_30μπι，孔隙率为20 %-40%,碳化硅层厚度为3-6mm，氧化锆层中颗粒直径为1_10μπι，孔隙率为10 % -30%，氧化锆层厚度为0.5-2mm，氧化铝层中颗粒直径为1_30μπι，孔隙率为20%~40% ,氧化铝层厚度为2-4mm，氧化硅层中颗粒直径为1-30μπι，孔隙率为20%-40%，氧化硅层厚度为4-l0mm，陶瓷基复合材料壳层为碳纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料、碳化硅纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料，陶瓷基复合材料壳层厚度为3?20mm，粘结层位于壳层和芯材之间，成分为碳化硅，粘结层厚度为50-1000μπι。
[0006]本发明优点在于:1.导热系数低，能够在超高温(彡2000°C)环境下使用，随着温度的升高材料导热系数变化不明显；2.充分考虑各组分粉体优点进行结构化设计，碳化硅粉体层用于对红外辐射吸收/反射，氧化锆层高温相变收缩形成空气热阻，大大降低材料的热导率，利用氧化铝和氧化硅的低热导率达到热量的最终阻隔，使得复合材料的隔热性能达到最优。
【附图说明】
[0007]图1为一种具有泡沫-粉末夹芯结构的高温隔热复合材料截面图。
[0008][10]为陶瓷基复合材料外壳层，[20]为粘结层，[30]为碳化硅层，[40]为单斜相氧化锆层，[50 ]为α相氧化铝层，[60 ]为氧化硅层
【具体实施方式】
[0009]下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
[0010]实施例一
[0011]参照图1，一种具有泡沫-粉末夹芯结构的高温隔热复合材料，其特征在于由芯材、陶瓷基复合材料壳层和粘结层构成，[10]为陶瓷基复合材料外壳层，[20]为粘结层，[30]为碳化硅层，[40 ]为单斜相氧化锆层，[50 ]为α相氧化铝层，[60 ]为氧化硅层，其中碳化硅层中颗粒直径为ΙΟμπι，孔隙率为30%，碳化硅层厚度为3mm，氧化锆层中颗粒直径为Ιμπι，孔隙率为20%，氧化锆层厚度为1mm，氧化铝层中颗粒直径为ΙΟμπι，孔隙率为35%，氧化铝层厚度为2mm，氧化硅层中颗粒直径为20μπι，孔隙率为40%，氧化硅层厚度为5mm，陶瓷基复合材料壳层为碳化硅纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料，陶瓷基复合材料壳层厚度为5_，粘结层位于壳层和芯材之间，成分为碳化娃，粘结层厚度为500μηι。
[0012]实施例二
[0013]参照图1，一种具有泡沫-粉末夹芯结构的高温隔热复合材料，其特征在于由芯材、陶瓷基复合材料壳层和粘结层构成，[10]为陶瓷基复合材料外壳层，[20]为粘结层，[30]为碳化硅层，[40 ]为单斜相氧化锆层，[50 ]为α相氧化铝层，[60 ]为氧化硅层，其中碳化硅层中颗粒直径为3μπι，孔隙率为20%，碳化硅层厚度为6_，氧化锆层中颗粒直径为2μπι，孔隙率为25%，氧化锆层厚度为2mm，氧化铝层中颗粒直径为3μπι，孔隙率为30%，氧化铝层厚度为4_，氧化硅层中颗粒直径为5μπι，孔隙率为35%，氧化硅层厚度为8_，陶瓷基复合材料壳层为碳纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料，陶瓷基复合材料壳层厚度为8mm，粘结层位于壳层和芯材之间，成分为碳化娃，粘结层厚度为800μηι。
【主权项】
1.一种具有泡沫-粉末夹芯结构的高温隔热复合材料，其特征在于由芯材、陶瓷基复合材料壳层和粘结层构成，芯材为陶瓷粉末填充的多孔陶瓷泡沫，所填充的陶瓷粉末具有多层结构，由上至下依次为碳化硅层、单斜相氧化锆层、α相氧化铝层、单斜相氧化锆层和氧化硅层，其中碳化硅层中颗粒直径为1_30μπι，孔隙率为20%-40%，碳化硅层厚度为3-6mm，氧化锆层中颗粒直径为1-10μπι，孔隙率为10%-30%，氧化锆层厚度为0.5-2mm，氧化铝层中颗粒直径为1-30μπι，孔隙率为20%-40%，氧化铝层厚度为2-4mm，氧化硅层中颗粒直径为1-30μπι，孔隙率为20%-40%，氧化硅层厚度为4-10mm，陶瓷基复合材料壳层为碳纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料、碳化硅纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料，陶瓷基复合材料壳层厚度为3?20mm，粘结层位于壳层和芯材之间，成分为碳化娃，粘结层厚度为50-1000μηι。
【文档编号】B32B9/00GK106003885SQ201610281552
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】陈照峰, 汪洋, 余盛杰, 潘影
【申请人】苏州派欧技术咨询服务有限公司