一种耐高温莫来石纤维多孔隔热瓦的制备方法与流程

本发明涉及耐高温莫来石纤维多孔隔热瓦的制备方法。

背景技术：

在航空航天领域，具有高马赫数、长航时、可反复往返大气层的空天飞机已成为各国军事竞争的焦点，随之带来的飞行器高温隔热问题已成为制约其发展的主要问题之一。莫来石纤维刚性多孔材料具有轻质、隔热、耐高温、抗氧化、抗腐蚀等优点，在各类航天飞行器的隔热层起着至关重要的作用。

目前，传统的烧蚀型热防护材料已难以满足可重复使用的需求，而耐氧化的石英纤维多孔材料的耐温性能(最高1200℃)无法满足高马赫数航天器的耐温要求，因此耐氧化可重复使用且具有高耐温性(最高1500℃)的莫来石纤维多孔材料已成为飞行器隔热层的最佳选择。

制备莫来石纤维多孔材料，纤维之间的粘结剂很重要。目前常用的粘结剂有SiO₂、B₂O₃及其复合体系。SiO₂粘结剂在莫来石纤维表面的铺展效果很差，无法把纤维牢固的粘结在一起，在承受载荷的过程中粘结点会很容易断裂。B₂O₃粘结剂在烧结过程中形成液相，其流动性和在纤维表面均匀铺展使纤维得到良好的包裹，并使纤维之间得到了很好的粘结，形成稳固的三维孔状结构，但是B₂O₃耐温性较差，且高温下易挥发，失去粘结作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于要解决现有莫来石纤维隔热瓦粘结剂耐温性能不够高和不能很好包覆纤维的技术问题，提供一种耐高温莫来石纤维多孔隔热瓦的制备方法，选用了多晶莫来石纤维作为基体，硅粉作为粘结剂，采用凝胶注模工艺，通过原位固化的方法来制备空间结构优良的三维同相莫来石纤维隔热材料。其中，硅粉在高温烧结过程中熔融，具有流动性，且可以在纤维表面铺展，聚集在莫来石纤维的搭接点处，形成有弹性的三维骨架，烧结过程中发生氧化，生成SiO₂，性能比较稳定。

一种莫来石纤维多孔隔热瓦的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用纤维粉碎机对多晶莫来石纤维进行剪切，得到短切纤维；

(2)将丙烯酰胺、叔丁醇和亚甲基双丙烯酰胺混合均匀，得到预混溶液；

(3)取预混溶液，加入粘结剂，用搅拌器进行搅拌，直至粘结剂完全分散在预混液中，得到预混浆料；

(4)将步骤(3)中得到的浆料放入球磨机中进行球磨，得到分散均匀的陶瓷浆料；

(5)将步骤(1)得到的多晶莫来石纤维，加入步骤(4)配好的浆料中，用搅拌器进行搅拌，待纤维添加完后继续搅拌，直至纤维均匀地分散在浆料中，得到分散好的纤维浆料；

(6)将浆料浆料从电磁搅拌器上取下，用玻璃棒对浆料继续进行搅拌，同时向浆料中加入催化剂和引发剂，继续搅拌3～60s，将浆料倒入已经涂好硅树脂的模具中进行固化；

(7)将模具和坯体一起放入电子恒温干燥箱中进行干燥处理，脱模，得到干燥的坯体，之后将坯体放入高温炉中进行排胶和烧结，得到莫来石纤维多孔隔热瓦。

所述步骤(1)短切纤维的长度为400μm～600μm。

所述步骤(2)中的预混溶液由质量比为丙烯酰胺：叔丁醇：亚甲基双丙烯酰胺＝20:(60～100):2的组分组成。

所述步骤(3)中在预混液中添加2％～6％质量比的Si粉作为粘结剂。

所述步骤(4)中球磨时间为4h～8h。

所述步骤(5)中加入的多晶莫来石纤维占步骤(3)中预混液质量的15％～30％。

所述步骤(5)中的浆料搅拌时间为4min～8min。

所述步骤(6)中加入了占步骤(3)中预混液质量0.5％～1％的引发剂过硫酸铵和占步骤(3)中预混液质量0.1％～0.2％的催化剂四甲基乙二胺。

所述步骤(7)中干燥处理的温度为80℃～100℃，干燥时间为6h～10h。

所述步骤(7)中的烧结速度控制为以2℃/min～3℃/min的升温速率加热到500℃～700℃，再以5℃/min～7℃/min的升温速率加热到1300℃～1500℃，保温2h～4h。

本发明通过调整湿坯凝胶注模成型、干坯高温烧结等工艺环节，使制备工艺适用于制备基于莫来石纤维为基体的刚性多孔隔热瓦。本发明制备的莫来石纤维多孔隔热瓦的密度在0.31g/cm³～0.49g/cm³之间，抗压强度达到0.5Mpa～1.1Mpa，耐温达到1500℃，粘结剂对纤维有较好的包覆。在本发明中，硅粉在高温下熔融，作为高温粘结剂，流动聚集到莫来石纤维的搭接点处，从而起到连接纤维和支撑刚性纤维多孔材料的作用。

与现有的莫来石纤维隔热瓦制备方法相比，此发明克服了莫来石陶瓷纤维隔热瓦粘结剂耐温性能不够高和不能很好包覆纤维的技术问题。硅粉粘结剂的采用相比传统氧化硅氧化硼粘结剂使隔热瓦耐温性能由1200℃提高到1500℃，同时使粘结剂对莫来石纤维有了很好的包覆，力学性能显著提高。此种隔热瓦内部的粘结剂分布均匀，能够良好的包覆纤维，高温下不挥发，能够起到固定和搭接纤维的作用。本发明制备的莫来石纤维多孔隔热瓦能承受1500℃高温，可用于高超声速航天飞行器机身的较高温区。

附图说明

图1为实施例1制备的莫来石纤维多孔隔热瓦的电子扫描图片。

图2为实施例1制备的莫来石纤维多孔隔热瓦纤维搭接点处的电子扫描图片。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，说明步骤如下：

(1)利用纤维粉碎机对多晶莫来石纤维进行剪切，剪切时间为2min～10min，得到长度为400μm～600μm的短切莫来石纤维；

(2)将丙烯酰胺(AM)、叔丁醇(TBA)和亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)按丙烯酰胺(AM)：叔丁醇(TBA)：亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)＝20:(60～100):2的质量比混合均匀，得到预混溶液；

(3)称取80～100g步骤(2)中得到的预混液，加入2％～6％质量比的Si粉，用电磁搅拌器进行搅拌，直至粘结剂完全分散在预混液中，得到预混浆料；

(4)将步骤(3)中得到的浆料放入球磨机中进行球磨4h～8h，得到分散比较均匀的陶瓷浆料；

(5)按步骤(4)中浆料15％～30％的质量比称量步骤(1)中得到的多晶莫来石纤维，并将纤维缓慢的加入步骤(4)配好的浆料中，用搅拌器进行搅拌4min～8min，边加入边搅拌，待纤维添加完后继续搅拌，直至纤维均匀地分散在浆料中，得到分散好的纤维浆料；

(6)将步骤(5)中得到的浆料从搅拌器上取下，对浆料继续进行搅拌，同时按照比例向浆料中加入0.5％～1％质量比的引发剂过硫酸铵(APS)和0.1％～0.2％质量比的催化剂四甲基乙二胺，继续搅拌3s～60s，迅速将浆料倒入模具中进行固化；

(7)将步骤(6)中的模具和坯体一起放入电子恒温干燥箱中80℃～120℃进行干燥处理6h～10h，脱模，得到干燥的坯体，之后将坯体放入高温炉中进行排胶和烧结，得到莫来石纤维多孔隔热瓦。烧结制度控制为以2℃/min～3℃/min的升温速率加热到500℃～700℃，再以5℃/min～7℃/min的升温速率加热到1300℃～1500℃，保温2h～4h。

本发明通过优选莫来石纤维和硅粉的组分比例，并改善制备过程中纤维的分散度下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于所述实施例。

实施例1：

本实施例一种莫来石纤维多孔隔热瓦的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：

(1)利用纤维粉碎机对多晶莫来石纤维进行剪切，剪切时间为2min，得到长度为600μm的短切莫来石纤维；

(2)将20g丙烯酰胺(AM)、100g叔丁醇(TBA)和2g亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)混合均匀，得到预混溶液；

(3)称取100g步骤(2)中得到的预混液，加入2gSi粉，用电磁搅拌器进行搅拌，直至硅粉完全分散在预混液中，得到预混浆料；

(4)将步骤(3)中得到的浆料放入球磨机中进行球磨6h，得到分散比较均匀的陶瓷浆料；

(5)称量15g步骤(1)中得到的多晶莫来石纤维，并将纤维缓慢的加入步骤(4)配好的浆料中，用搅拌器进行搅拌4min，边加入边搅拌，待纤维添加完后继续搅拌，直至纤维均匀地分散在浆料中，得到分散好的纤维浆料；

(6)将步骤(5)中得到的浆料从搅拌器上取下，对浆料继续进行搅拌，同时按照比例向浆料中加入1g引发剂过硫酸铵(APS)和0.2g催化剂四甲基乙二胺，继续搅拌3s，迅速将浆料倒入模具中进行固化；

(7)将步骤(6)中的模具和坯体一起放入电子恒温干燥箱中80℃进行干燥处理10h，脱模，得到干燥的坯体，之后将坯体放入高温炉中进行排胶和烧结，烧结制度控制为以2.5℃/min的升温速率加热到700℃，再以5℃/min的升温速率加热到1300℃，保温4h，得到莫来石纤维多孔隔热瓦。试样密度为0.31g/cm³，抗压强度达到0.5Mpa，耐温达到1500℃，粘结剂对纤维有较好的包覆(见附图1、2)。

本实施例制备的莫来石纤维多孔隔热瓦的电子扫描图片如图1所示。

本实施例制备的莫来石纤维多孔隔热瓦纤维搭接点处的电子扫描图片如图2所示。

实施例2：

本实施例一种莫来石纤维多孔隔热瓦的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：

(1)利用纤维粉碎机对多晶莫来石纤维进行剪切，剪切时间为6min，得到长度为500μm的短切莫来石纤维；

(2)将丙烯酰胺(AM)、叔丁醇(TBA)和亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)按丙烯酰胺(AM)：叔丁醇(TBA)：亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)＝20:80:2的质量比混合均匀，得到预混溶液；

(3)称取80g步骤(2)中得到的预混液，加入3.2g Si粉，用电磁搅拌器进行搅拌，直至硅粉完全分散在预混液中，得到预混浆料；

(4)将步骤(3)中得到的浆料放入球磨机中进行球磨8h，得到分散比较均匀的陶瓷浆料；

(5)称量16g步骤(1)中得到的多晶莫来石纤维，并将纤维缓慢的加入步骤(4)配好的浆料中，用搅拌器进行搅拌6min，边加入边搅拌，待纤维添加完后继续搅拌，直至纤维均匀地分散在浆料中，得到分散好的纤维浆料；

(6)将步骤(5)中得到的浆料从搅拌器上取下，对浆料继续进行搅拌，同时按照比例向浆料中加入0.4g引发剂过硫酸铵(APS)和0.08g催化剂四甲基乙二胺，继续搅拌30s，迅速将浆料倒入模具中进行固化；

(7)将步骤(6)中的模具和坯体一起放入电子恒温干燥箱中90℃进行干燥处理9h，脱模，得到干燥的坯体，之后将坯体放入高温炉中进行排胶和烧结，烧结制度控制为以2℃/min的升温速率加热到500℃，再以6℃/min的升温速率加热到1400℃，保温3h，得到莫来石纤维多孔隔热瓦。试样密度为0.41g/cm³，抗压强度达到0.8Mpa，耐温达到1500℃，粘结剂对纤维有较好的包覆。

实施例3：

本实施例一种莫来石纤维多孔隔热瓦的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：

(1)利用纤维粉碎机对多晶莫来石纤维进行剪切，剪切时间为10min，得到长度为400μm的短切莫来石纤维；

(2)将丙烯酰胺(AM)、叔丁醇(TBA)和亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)按丙烯酰胺(AM)：叔丁醇(TBA)：亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)＝20:60:2的质量比混合均匀，得到预混溶液；

(3)取90g步骤(2)中得到的预混液，加入5.4g Si粉，用电磁搅拌器进行搅拌，直至硅粉完全分散在预混液中，得到预混浆料；

(4)将步骤(3)中得到的浆料放入球磨机中进行球磨8h，得到分散比较均匀的陶瓷浆料；

(5)称量27g步骤(1)中得到的多晶莫来石纤维，并将纤维缓慢的加入步骤(4)配好的浆料中，用搅拌器进行搅拌8min，边加入边搅拌，待纤维添加完后继续搅拌，直至纤维均匀地分散在浆料中，得到分散好的纤维浆料；

(6)将步骤(5)中得到的浆料从搅拌器上取下，对浆料继续进行搅拌，同时按照比例向浆料中加入0.9g引发剂过硫酸铵(APS)和0.14g催化剂四甲基乙二胺，继续搅拌60s，迅速将浆料倒入模具中进行固化；

(7)将步骤(6)中的模具和坯体一起放入电子恒温干燥箱中120℃进行干燥处理6h，脱模，得到干燥的坯体，之后将坯体放入高温炉中进行排胶和烧结，烧结制度控制为以3℃/min的升温速率加热到600℃，再以7℃/min的升温速率加热到1500℃，保温2h，得到莫来石纤维多孔隔热瓦。试样密度为0.49g/cm³，抗压强度达到1.1Mpa，耐温达到1500℃，粘结剂对纤维有较好的包覆。