一种耐高温纳米隔热材料及其制备方法与流程

[0001]
本发明属于隔热材料技术领域，特别涉及一种耐1400℃高温的纳米隔热材料及其制备方法。


背景技术：

[0002]
纳米材料由于其孔结构和固相粒子的尺度均在纳米级别，有效地抑制了热传导和热对流，具有优异的隔热性能，在建筑、窑炉及长距离管道保温等领域获得了应用。纳米隔热材料也是高超声速飞行器热防护系统较为理想的材料，可在有限空间内阻隔热量向舱内传递。
[0003]
目前研究和应用比较广泛的sio2气凝胶材料，长期使用温度不高于650℃，sio2/al2o3复合纳米隔热材料的使用温度可提高至1100℃。随着高超声速飞行器对飞行速度、时长及突防能力要求的日益提高，飞行器外表面的温度越来越高，对热防护材料的使用温度提出了更高的要求。因此，研究制备适用于更高使用温度的纳米隔热材料具有十分重要的意义。


技术实现要素：

[0004]
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种耐高温纳米隔热材料及其制备方法，采用制备得到的纳米隔热材料使用温度超过1400℃，同时，制备方法使最终产品得外形尺寸成型精度高，适合对隔热材料尺寸精度要求较高的场合，从而完成本发明。
[0005]
本发明提供的技术方案如下：
[0006]
第一方面，一种耐高温纳米隔热材料，包括：陶瓷纤维、遮光剂和纳米莫来石，其中，所述陶瓷纤维的使用温度应高于1400℃；
[0007]
所述遮光剂选自氧化锆或硅酸锆中的一种或其组合，
[0008]
所述纳米莫来石由纳米氧化硅和纳米氧化铝在热压环境下原位反应生成；
[0009]
所述纳米莫来石、遮光剂和陶瓷纤维的质量比为3.55:(0～1):(0.03～0.35)。
[0010]
第二方面，一种耐高温纳米隔热材料，由包括如下质量份的原料制得：纳米氧化硅1份，纳米氧化铝2.55份，遮光剂0～1份，以及陶瓷纤维0.03～0.35份。
[0011]
第三方面，一种耐高温纳米隔热材料的制备方法，用于制备第一方面或第二方面所述的耐高温纳米隔热材料，包括：
[0012]
步骤1，将纳米氧化硅、纳米氧化铝、遮光剂和陶瓷纤维分散混合，得到复合粉料；
[0013]
步骤2，将复合粉料装填入成型模具中；
[0014]
步骤3，将装填有复合粉料的成型模具置于热压炉中，加热至反应温度，保温设定时间后加压，继续保温保压处理；
[0015]
步骤4，冷却至室温，取出模具脱模后得到纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料。
[0016]
根据本发明提供的一种耐高温纳米隔热材料及其制备方法，具有以下有益效果：
[0017]
(1)本发明采用热压法原位反应制备纤维增强莫来石纳米隔热材料，有氧环境下使用温度可高于1400℃，大幅提高了纳米隔热材料适用的温度范围；
[0018]
(2)本发明中纤维增强莫来石纳米隔热材料中含有分散均匀的遮光剂，高温隔热性能显著优于莫来石毡等纤维类隔热材料；
[0019]
(3)本发明采用热压法原位反应生成纳米莫来石的同时，颗粒间发生“微烧结”，制备的纤维增强莫来石纳米隔热材料具有较高的强度和整体性；
[0020]
(4)本发明设计了专用模具进行纳米隔热材料的制备，纳米隔热材料的外形尺寸成型精度高，同时可以根据纳米隔热材料的结构外形对模具进行相应的设计，实现不同结构外形耐高温纳米隔热材料的制备，该方法适用范围广，灵活多样、易于实现，同时适用于对隔热材料尺寸精度要求较高的场合。
附图说明
[0021]
图1为本发明使用的成型模具示意图，其中图1a为主视图，图1b为俯视图；
[0022]
图2为本发明实施例1中纳米隔热材料的xrd图谱；
[0023]
图3为本发明实施例1中纤维增强莫来石纳米耐高温隔热材料的扫描电镜图。
具体实施方式
[0024]
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0025]
根据本发明的第一方面，提供了一种耐高温纳米隔热材料，包括陶瓷纤维、遮光剂和纳米莫来石，其中，
[0026]
所述陶瓷纤维的使用温度应高于1400℃，优选选自氧化铝纤维、碳化硅纤维、莫来石纤维中的一种或其组合。陶瓷纤维的直径为1～10μm，长度为0.5～10mm，优选长度为3～7mm，该长度易于分散/混合且足够起增强效果；
[0027]
所述遮光剂选自氧化锆或硅酸锆中的一种或其组合，氧化锆或硅酸锆在高温下惰性，不与其他原料组分反应。进一步地，所述遮光剂的颗粒直径为1～5μm，该直径在1400℃环境下能够较好地阻挡红外辐射传热。
[0028]
所述纳米莫来石由纳米氧化硅和纳米氧化铝在热压环境下原位反应生成。其中，所述纳米氧化硅选自氧化硅气凝胶粉或气相法氧化硅粉中的一种或其组合。
[0029]
所述纳米氧化铝选自氧化铝气凝胶粉或气相法氧化铝粉中的一种或其组合。
[0030]
所述纳米氧化硅和纳米氧化铝还可以为氧化硅-氧化铝二元气凝胶粉。
[0031]
所述纳米莫来石、遮光剂和陶瓷纤维的质量比为3.55:(0～1):(0.03～0.35)。
[0032]
根据本发明的第二方面，提供了一种耐高温纳米隔热材料，由包括如下质量份的原料制得：纳米氧化硅1份，纳米氧化铝2.55份，遮光剂0～1份，以及陶瓷纤维0.03～0.35份。
[0033]
所述陶瓷纤维的使用温度应高于1400℃，优选选自氧化铝纤维、碳化硅纤维、莫来石纤维中的一种或其组合。陶瓷纤维的直径为1～10μm，长度为0.5～10mm，优选长度为3～7mm。
[0034]
所述遮光剂选自氧化锆或硅酸锆中的一种或其组合，氧化锆或硅酸锆在高温下惰
性，不与其他原料组分反应。进一步地，所述遮光剂的颗粒直径为1～5μm。
[0035]
所述纳米氧化硅选自氧化硅气凝胶粉或气相法氧化硅粉中的一种或其组合。
[0036]
所述纳米氧化铝选自氧化铝气凝胶粉或气相法氧化铝粉中的一种或其组合。
[0037]
所述纳米氧化硅和纳米氧化铝还可以为氧化硅-氧化铝二元气凝胶粉。
[0038]
根据本发明的第三方面，一种耐高温纳米隔热材料的制备方法，用于制备第一方面或第二方面所述的耐高温纳米隔热材料，包括：
[0039]
步骤1，将纳米氧化硅、纳米氧化铝、遮光剂和陶瓷纤维分散混合，得到复合粉料；
[0040]
步骤2，将复合粉料装填入成型模具中；
[0041]
步骤3，将装填有复合粉料的成型模具置于热压炉中，加热至反应温度，保温设定时间后加压，继续保温保压处理；
[0042]
步骤4，冷却至室温，取出模具脱模后得到纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料。
[0043]
在本发明中，所述纳米氧化硅、纳米氧化铝、遮光剂和陶瓷纤维与第一方面或第二方面中相应原料一致，在此不再赘述。
[0044]
在本发明中，步骤1中，所述纳米氧化硅、纳米氧化铝、遮光剂和陶瓷纤维的质量比为：1:2.55:(0～1):(0.03～0.35)。
[0045]
在本发明中，步骤2中，所述成型模具包括阴模、阳模和边模，边模套设在阴模和阳模外围，所述阴模、阳模和边模组成的型面与待加工纳米隔热材料的型面相符。
[0046]
在本发明中，步骤3中，所述反应温度为1000～1400℃，保温时间为1～3h，压力为0.3～4mpa，保温保压时间为1～5h。
[0047]
经过大量实验，本发明人发现，若反应温度低于1000℃，将无法生成纳米莫来石，若高于1400℃，纳米颗粒将发生严重烧结；压力若低于0.3mpa，得到的材料强度较低，若高于4mpa，材料密度过高，隔热性能较差。
[0048]
在步骤3的过程中，纳米氧化硅和纳米氧化铝原位反应生成纳米莫来石，使最终纳米隔热材料在有氧环境下的使用温度可以高于1400℃。同时纳米莫来石颗粒间发生“微烧结”，整体强度和加工性良好。
[0049]
实施例
[0050]
实施例1
[0051]
本实施例中制备的纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料为部分圆筒形结构，如图1所示。
[0052]
本实施例中纳米氧化硅为a380型气相法氧化硅，纳米氧化铝为aluc型气相法氧化铝，陶瓷纤维为莫来石纤维(长度为0.5～10mm，直径为1～10μm)；气相法氧化硅、气相法氧化铝和莫来石纤维的质量比为1:2.55:0.05。
[0053]
本实施例中成型模具按照部分圆筒形结构设计，由石墨加工得到。成型模具由阴模、阳模和边模三部分构成，阳模为与圆筒形的凹面匹配的凸面结构，阴模为与圆筒形的凸面匹配的凹面结构，边模为圆筒形。
[0054]
本实施例中纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0055]
(1)将按比例称取的原料放入高速分散机中分散混合得到复合粉料；
[0056]
(2)将边模套入阴模形成型腔，将复合粉料装入型腔内，将阳模放入边模后将整套模具放入热压炉中；
[0057]
(3)热压炉升温至1300℃，保温2h，缓慢加压至1.0mpa，保温保压3h；
[0058]
(4)冷却至室温，取出模具脱模后得到纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料。
[0059]
本实施例制备的纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料中莫来石颗粒的xrd图谱如图2所示，扫描电镜图如图3所示，其热导率为0.056w/m
·
k，1400℃热处理30min线收缩率≤1.5％，压缩强度0.5mpa。
[0060]
实施例2
[0061]
本实施例中制备的纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料为部分圆筒形结构。
[0062]
本实施例中纳米氧化硅为氧化硅气凝胶，纳米氧化铝为氧化铝气凝胶，遮光剂为硅酸锆(直径为1～5μm)，陶瓷纤维为氧化铝纤维(长度为0.5～10mm，直径为1～10μm)；氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、硅酸锆和氧化铝纤维质量比为1:2.55:0.25:0.04。
[0063]
本实施例中成型模具按照部分圆筒形结构设计，由石墨加工得到。成型模具由阴模、阳模和边模三部分构成，阳模为与圆筒形的凹面匹配的凸面结构，阴模为与圆筒形的凸面匹配的凹面结构，边模为圆筒形。
[0064]
本实施例中纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0065]
(1)将按比例称取的原料放入高速分散机中分散混合得到复合粉料；
[0066]
(2)将边模套入阴模形成型腔，将复合粉料装入型腔内，将阳模放入边模后将整套模具放入热压炉中；
[0067]
(3)热压炉升温至1250℃，保温1h，缓慢加压至1.3mpa，保温保压2h；
[0068]
(4)冷却至室温，取出模具脱模后得到纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料。
[0069]
本实施例制备的纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料的热导率为0.051w/m
·
k，1400℃热处理30min线收缩率≤1.9％，压缩强度0.4mpa。
[0070]
实施例3
[0071]
本实施例中制备的纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料为部分圆筒形结构。
[0072]
本实施例中纳米氧化硅和纳米氧化铝为按摩尔比n(al2o3):n(sio2)＝3:2制备的氧化硅-氧化铝二元气凝胶，遮光剂为氧化锆(直径为1～5μm)，陶瓷纤维为氧化铝纤维(长度为0.5～10mm，直径为1～10μm)；氧化硅-氧化铝二元气凝胶、氧化锆和氧化铝纤维质量比为1:0.06:0.05。
[0073]
本实施例中成型模具按照部分圆筒形结构设计，由石墨加工得到。成型模具由阴模、阳模和边模三部分构成，阳模为与圆筒形的凹面匹配的凸面结构，阴模为与圆筒形的凸面匹配的凹面结构，边模为圆筒形。
[0074]
本实施例中纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0075]
(1)将按比例称取的原料放入高速分散机中分散混合得到复合粉料；
[0076]
(2)将边模套入阴模形成型腔，将复合粉料装入型腔内，将阳模放入边模后将整套模具放入热压炉中；
[0077]
(3)热压炉升温至1200℃，保温2h，缓慢加压至1.5mpa，保温保压3h；
[0078]
(4)冷却至室温，取出模具脱模后得到纤维增强莫来石纳米隔热材料。
[0079]
本实施例制备的纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料热导率为0.048w/m
·
k，1400℃热处理30min线收缩率≤2.1％，压缩强度0.35mpa。
[0080]
实施例4
[0081]
本实施例中纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料为平板形结构(本实施例未给出图示)。
[0082]
本实施例中纳米氧化硅为a380型气相法氧化硅，纳米氧化铝为aluc型气相法氧化铝，遮光剂为硅酸锆(直径为1～5μm)，陶瓷纤维为莫来石纤维(长度为0.5～10mm，直径为1～10μm)；气相法氧化硅、气相法氧化铝、硅酸锆和莫来石纤维质量比为1:2.55:0.15:0.04。
[0083]
本实施例中成型模具按照平板形结构设计，由石墨加工得到。成型模具由阴模、阳模和边模三部分构成，阳模和阴模均为平板型，边模为圆筒形。
[0084]
本实施例中纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0085]
(1)将按比例称取的原料放入高速分散机中分散混合得到复合粉料；
[0086]
(2)将边模套入阴模形成型腔，将复合粉料装入型腔内，将阳模放入边模后将整套模具放入热压炉中；
[0087]
(3)热压炉升温至1350℃，保温2h，缓慢加压至0.6mpa，保温保压3h；
[0088]
(4)冷却至室温，取出模具脱模后得到纤维增强莫来石纳米隔热材料。
[0089]
本实施例制备的纤维增强莫来石耐高温纳米隔热材料的热导率为0.050w/m
·
k，1400℃热处理30min线收缩率≤1.5％，压缩强度0.3mpa。
[0090]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0091]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。