本发明属于隔热材料技术领域，尤其涉及一种应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料及其制备方法。
背景技术：
超高声速飞行器在大气层中长时高速巡航的过程中，飞行器要承受严酷的气、热载荷作用。为了保证飞行器外形结构完整，内部的元器件正常工作，需要使用兼具耐温隔热和承载功能的外防热材料。
目前常见的外防热材料可以分为耐高温夹层材料和隔热瓦材料两类，其中耐高温夹层材料耐温性能满足1200℃使用，导热系数＜0.1w/m·k，抗压强度＞1mpa，抗高速气流冲刷性能优异，但是材料的应变性能(变形协调性能)相对较低，材料的应变(破坏微应变)约2000με，挠度为3～4mm，刚刚能够满足飞行器外防热系统的使用要求，域度较低。
中国专利申请cn201610816609.5公开了一种改进耐高温夹层结构隔热材料的应变性能的方法，但是该方法制得的耐高温夹层结构隔热材料的应变最高只能达到4000με，且利用该方法制得应变为4000με的耐高温夹层结构隔热材料时，该耐高温夹层结构隔热材料的室温热导率为0.070w/m·k，隔热性能有所降低；这一前期研究工作表明，目前的方法很难得到应变性能更佳且不降低隔热性能的耐高温夹层结构隔热材料。而对于耐高温夹层结构隔热材料而言，在不影响材料的耐温性能和隔热性能的条件下，材料的应变性能越好，更适合应用在飞行器外防热系统中。
因此，非常有必要提供一种应变性能更优异且不降低隔热性能的耐高温夹层结构隔热材料的制备方法。
技术实现要素：
为解决一个或者多个问题，本发明提供了一种应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料及其制备方法。本发明方法简单、操作简便、对环境污染小。本发明制得的应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料在室温至1200℃应用环境中应变性能优异，能够保持较高的抗冲刷及承载性能，同时具备较低的导热系数和较好的隔热性能等。
为了实现上述目的，本发明在第一方面提供了一种应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将耐高温面板与隔热芯层结合，得到预制体；
(2)用溶胶前驱体浸渍步骤(1)得到的预制体，制得应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料；
其中，所述浸渍的压力为-0.1～1.0mpa，所述浸渍的时间为12～72h，所述浸渍重复的次数为1～20次。
优选地，所述浸渍重复的次数为5～20次。
优选地，所述耐高温面板与所述隔热芯层的厚度比为1：(2～20)，优选为1：(5～20)。
优选地，所述溶胶前驱体的浓度为10wt％～60wt％。
优选地，所述耐高温面板为耐高温陶瓷面板。
优选地，所述隔热芯层为隔热气凝胶芯层。
优选地，所述溶胶前驱体选自由二氧化硅溶胶前驱体和三氧化二铝溶胶前驱体组成的组。
本发明在第二方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料。
优选地，所述应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料的应变不小于3000με，挠度不小于5mm。
优选地，所述应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料的应变为3000με～5000με，挠度为5～10mm。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
(1)本发明制得的耐高温夹层结构隔热材料应变性能(变形协调性能)优异，耐高温夹层结构隔热材料(耐高温面板)的应变不小于3000με，挠度不小于5mm。
(2)本发明制得的耐高温夹层结构隔热材料的应变性能(变形协调性能)通过改进材料制备技术参数(浸渍参数)进行控制，例如耐高温夹层结构隔热材料的应变可以被控制为3000～5000με，挠度为5～10mm。
(3)本发明的方法简单、操作简便、对环境污染小、所使用的原材料，包括预制体、溶胶前驱体等均为无毒或低毒材料；本发明的制备方法不产生任何对环境造成污染的物质。
(4)本发明制得的应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料在室温至1200℃应用环境中应变性能优异，能够保持较高的抗冲刷及承载性能，同时具备较低的导热系数和较好的隔热性能等。
(5)本发明可以用于制备各种形状规格的构件产品，在航空航天工业以及民用工业的环境中具有广泛的应用前景。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明在第一方面提供了一种应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将耐高温面板与隔热芯层结合，得到预制体；
(2)用溶胶前驱体浸渍步骤(1)得到的预制体，制得应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料；
其中，所述浸渍的压力为-0.1～1.0mpa(例如-0.1、-0.05、0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1.0mpa)，所述浸渍的时间为12～72h(例如12、24、36、48、60或72h)，所述浸渍重复的次数为1～20次(例如1、3、5、10、15或20次)。
本发明对所述耐高温面板和所述隔热芯层没有特别的限制，所述耐高温面板为具有耐高温性能的面板即可，所述隔热芯层为具有隔热性能的芯层即可；本发明对所述耐高温面板与所述隔热芯层结合的方法也没有特别的限制，可以采用现有已知的方法进行，例如通过粘接、缝合、缠绕等方法将所述耐高温面板和所述隔热芯层结合在一起。
在本发明中，步骤(1)得到的预制体具有夹层结构，从上至下包括耐高温上面板层、隔热芯层和耐高温下面板层，其中耐高温上面板层和耐高温下面板层一起构成了所述预制体的耐高温面板(耐高温外层面板)；在本发明中，用溶胶前驱体浸渍步骤(1)得到的预制体(耐高温夹层结构隔热材料预制体)的过程，也即所述溶胶前驱体与所述预制体的耐高温外层面板复合的过程，因此，在本发明中，也将浸渍过程(浸渍)记作浸渍复合过程(浸渍复合)；在本发明中，也将应变性能记作变形协调性能，也将应变记作破坏微应变。
本发明将耐高温面板与隔热芯层结合得到预制体，改进了溶胶前驱体浸渍所得到的预制体的浸渍方式、浸渍参数；本发明中合理的浸渍压力和浸渍时间，使得本发明在不影响材料的耐温隔热性能的前提下，实现了溶胶前驱体多次重复浸渍预制体，提高了溶胶前驱体的浸渍效果以及溶胶前驱体与耐高温面板的结合强度，制得了应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料。
在本发明中，所述浸渍的压力控制在-0.1～1.0mpa优选为-0.05～1.0mpa这一范围之内，如果压力过高，则会导致溶胶前驱体浸入隔热芯层而造成耐高温夹层结构隔热材料强度、隔热性能和应变性能降低；如果压力过低，则浸渍效果较差而造成溶胶前驱体与耐高温面板的复合效果不好，造成耐高温面板自身的性能降低。
在本发明中，所述浸渍的时间控制在12～72h这一范围之内，如果时间过长，则会导致溶胶前驱体浸入隔热芯层而造成耐高温夹层结构隔热材料强度、隔热性能和应变性能降低；如果时间过短，则浸渍效果较差而造成溶胶前驱体与耐高温面板的复合效果不好，造成耐高温面板自身的性能降低。
根据一些优选的实施方式，所述浸渍重复的次数为5～20次(例如5、7、9、10、13、15、18或20次)。在本发明中，所述浸渍重复的次数优选为控制5～20次这一范围之内，如果次数过多，则会导致溶胶前驱体浸入隔热芯层而造成耐高温夹层结构隔热材料强度、隔热性能和应变性能降低；如果次数过少，则浸渍程度不高，溶胶前驱体与耐高温面板的复合效果不好，而造成耐高温面板自身的性能降低，无法达到使用要求。
根据一些优选的实施方式，所述耐高温面板与所述隔热芯层的厚度比为1：(2～20)(例如1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10、1:11、1:12、1:13、1:14、1:15、1:16、1:17、1:18、1:19或1:20)，优选为1：(5～20)(例如1:5、1:8、1:10、1:12、1:15、1:18或1:20)。在本发明中，所述耐高温面板与所述隔热芯层的厚度比优选为控制在1：(5～20)这一范围之内，相对于所述耐高温面板的厚度，如果隔热芯层的厚度过大，则耐高温夹层结构隔热材料的耐温性能、强度和应变性能均可能降低；如果隔热芯层的厚度过小，则耐高温夹层结构隔热材料的隔热性能和应变性能可能会降低。
根据一些优选的实施方式，所述溶胶前驱体的浓度为10wt％～60wt％(例如10wt％、15wt％、16wt％、20wt％、25wt％、30wt％、32wt％、33wt％、35wt％、40wt％、41wt％、42wt％、45wt％、50wt％、55wt％或60wt％)。在本发明中，所述溶胶前驱体的浓度优选为控制在10wt％～60wt％这一范围之内，如果浓度过高，则会造成浸润效果降低而导致耐高温面板性能降低；如果浓度过低，则浸渍程度(浸渍复合程度)无法达到要求，也会造成耐高温面板性能降低。特别说明的是，所述溶胶前驱体的浓度也即所述溶胶前驱体的固含量。
根据一些优选的实施方式，所述耐高温面板为耐高温陶瓷面板。所述耐高温陶瓷面板例如可以由陶瓷纱线编织得到，所述陶瓷纱线选自由石英纱线、氧化铝纱线和莫来石纱线组成的组。
根据一些优选的实施方式，所述隔热芯层为隔热气凝胶芯层。所述隔热气凝胶芯层例如可以由耐高温纤维与溶胶复合(例如通过浸渍的方式复合)制得，所述耐高温纤维选自由石英纤维、氧化铝纤维和莫来石纤维组成的组，所述溶胶选自由二氧化硅溶胶、三氧化二铝溶胶和二氧化锆溶胶组成的组。特别地，以所述隔热气凝胶芯层的质量计，所述隔热气凝胶芯层中的耐高温纤维的含量为20wt％～80wt％；特别地，所述溶胶的浓度为15wt％～40wt％。
根据一些优选的实施方式，所述溶胶前驱体选自由二氧化硅溶胶前驱体和三氧化二铝溶胶前驱体组成的组。
本发明在第二方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料。在本发明中，所述应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料与步骤(1)得到的预制体一样，也具有夹层结构。所述应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料包括浸渍有溶胶前驱体的耐高温面板层和隔热芯层，所述浸渍有溶胶前驱体的耐高温面板层由浸渍有溶胶前驱体的耐高温上面板层和浸渍有溶胶前驱体的耐高温下面板层组成，所述隔热芯层夹在所述上下面板层之间。特别地，所述应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料包括浸渍有溶胶前驱体的耐高温陶瓷面板层和隔热气凝胶芯层。
根据一些优选的实施方式，所述应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料的应变不小于3000με，挠度不小于5mm。
根据一些优选的实施方式，所述应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料的应变为3000με～5000με(例如3000、3500、3600、4000、4400、4500、4800或5000με)，挠度为5～10mm(例如5.0、5.4、5.5、5.6、6.0、6.9、7.0.、7.2、7.4、7.5、7.8、8.0、8.1、8.5、8.8、9.0、9.1、9.5、9.7、9.9或10.0mm)。在本发明中，所述耐高温夹层结构隔热材料的应变性能受隔热芯层的影响相对较小，很难通过改变隔热芯层来改善应变性能，因此，在本发明中所述耐高温夹层结构隔热材料的应变性能也可以认为是所述耐高温面板的应变性能，所述耐高温夹层结构隔热材料的应变和挠度也可以认为分别是所述耐高温面板的应变和挠度。
目前常用的耐高温夹层结构隔热材料尽管耐温性能满足1200℃使用，导热系数＜0.1w/m·k，抗压强度＞1mpa，但是材料的外层面板破坏微应变大约2000με左右，挠度3～4mm，刚刚满足飞行器外防热系统的使用要求，域度较低。经过深入研究，本发明意外发现，通过改变溶胶前驱体浸渍复合的方式、浸渍参数等，在不影响材料的耐温性能和隔热性能的前提下，获得了应变性能更优的耐高温夹层结构隔热材料。在本发明中，将耐高温面板与隔热芯层结合得到预制体，通过改进所述溶胶前驱体浸渍所述预制体的压力、时间和次数；调整所述耐高温面板与所述隔热芯层的厚度比；调整所述溶胶前驱体的浓度，可以显著改进耐高温夹层结构隔热材料的应变性能。例如，在保持现有性能，在不降低耐温性能、隔热性能的前提下，制得了具有更优异的应变性能例如应变不小于3000με、挠度不小于5mm的耐高温夹层结构隔热材料或者应变性能可控(例如应变控制在3000με～5000με，挠度控制在5～10mm)的耐高温夹层结构隔热材料。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。这些实施例只是就本发明的优选实施方式进行举例说明，本发明的保护范围不应解释为仅限于这些实施例。
本发明各实施例涉及原料均为市场购买。
实施例1
将厚度比为1:15的耐高温陶瓷面板与隔热气凝胶芯层通过缝合的方式结合在一起，得到预制体；用浓度为16wt％的二氧化硅溶胶前驱体在0.1mpa的压力下浸渍复合所得到的预制体12h，重复浸渍15次，制得应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料。
测试实施例1制得的应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料的性能：密度0.55g/cm3(gb/t6343-2009)；室温导热系数0.045w/m·k(gb/t10295-2008)；应变为4500με，挠度为7.4mm(astmc1341-00)。
实施例2
将厚度比为1:15的耐高温陶瓷面板与隔热气凝胶芯层通过缝合的方式结合在一起，得到预制体；用浓度为31wt％的二氧化硅溶胶前驱体在0.2mpa的压力下浸渍复合所得到的预制体15h，重复浸渍10次，制得应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料。
测试实施例2制得的应变性能优异的耐高温夹层结构隔热材料的性能：密度0.58g/cm3(gb/t6343-2009)；室温导热系数0.049w/m·k(gb/t10295-2008)；应变为4800με，挠度为8.0mm(astmc1341-00)。
实施例3～9与实施例1基本相同，不同之处如表1所示。
对比例1
将耐高温陶瓷面板与浓度为45wt％的二氧化硅溶胶前驱体在0.1mpa的压力下浸渍复合4h，浸渍1次，制得浸渍有所述二氧化硅溶胶前驱体的耐高温陶瓷面板，然后将所述浸渍有溶胶前驱体的耐高温陶瓷面板与隔热气凝胶芯层按照厚度比为1:4.5通过缝合的方式结合在一起，制得耐高温夹层结构隔热材料。
采用与实施例1中相同的标准测试对比例1制得的耐高温夹层结构隔热材料的性能，结果如表1所示。
对比例2～9与实施例1基本相同，不同之处如表1所示。
从表1中的结果可知，本发明通过改变溶胶前驱体浸渍复合的方式和浸渍参数等，获得了应变性能明显更优且兼具更好的隔热性能的耐高温夹层结构隔热材料。
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。