轻质刚性隔热材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无机复合材料技术领域，具体涉及一种轻质刚性隔热材料的制备方 法。
【背景技术】
[0002] 高超声速飞行器在大气层内长时间飞行，气动力、热环境十分严酷，材料及热防护 技术是关键技术之一。刚性隔热材料孔隙率高，容重低，在高温下具有稳定的形状和一定的 强度，同时具有优良的辐射散热、隔热、抗冲刷和保持气动外形的作用。刚性隔热材料在高 超声速飞行器中兼具承载和隔热功效。隔热功效是隔热材料的重要功能之一，随着新型飞 行器的局部温度超过l〇〇〇°C，因此对隔热材料提出了更高的要求。研宄和制备耐高温高性 能隔热材料是今后发展的重要方向。
[0003] 高温下隔热材料中气相导热和辐射导热占主要地位，其中辐射导热占的比例大于 气相导热。研宄表明500°C以上红外辐射的比例占50%，1000°C和1300°C高温条件下，隔 热材料中分别有76%和85%的辐射能量集中在红外波段。因此，高温环境下，降低红外波 段辐射是降低隔热材料导热率的有效途径，也是制备性能优异的耐高温高性能隔热材料的 重要方法。TiO 2亦称作钛白粉，它的折光系数是目前所用填料中最大的，因而它的反射率 很高，是隔热功能填料的首选。光谱仪测试发现，它在可见光区的反射率接近100%，在近 红外可见光区的发射率达85%以上，在200-400nm的近紫外区的吸收率达到了 85%以上。 有研宄人员以Ti (SO4)2为原料采用化学沉积方式在空心玻璃微珠外壁包覆了一层厚度为 0· 5 μ m的锐钛矿型TiO2，所得隔热填料对可见光和近红外的反射率分别为86%和81 % 〇有 研宄人员比较分析了包覆TiO2的玻璃微珠和TiO 2玻璃微珠相混合这两种不同组合方式的 隔热填料的隔热性能，发现包覆TiO2的玻璃微珠的涂层的温度较TiO 2玻璃微珠相混合的涂 层在室外太阳光照射下温度要低0. 8。因此将TiO2作为红外遮蔽剂添加到隔热材料中，可 以有效地降低高温区域的红外辐射，从而达到降低导热率和提高隔热材料的耐温性能的特 点。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种轻质刚性隔热材料的制备方法，制备的隔热材料在保证 高气孔率的前提下具有较高的力学性能，具有良好的隔热和抗冲刷性能。
[0005] 本发明所述的轻质刚性隔热材料的制备方法，步骤如下：
[0006] (1)轻质刚性隔热材料纤维的预处理：对石英纤维进行短切处理，短切处理后纤 维长度在30-150um ;对氧化铝纤维进行短切处理，处理后的氧化铝纤维长度在50-250um ;
[0007] (2)隔热基体成型料浆制备：将步骤（1)制得的短切石英纤维和短切氧化铝纤维、 硅溶胶、粘结剂和去离子水进行混合，得到纤维料浆；
[0008] (3)料浆分散：用酸调节步骤⑵中纤维料浆的PH值，在V型搅拌器中进行搅拌；
[0009] (4)抽滤成型：步骤（3)得到的料浆在真空条件下进行抽滤成型，之后脱模，移至 恒温干燥箱干燥；
[0010] (5)热处理：将步骤（4)制得的材料装于窑炉中进行热处理，得到隔热基体；
[0011] (6) 1102溶胶制备：将正钛酸四丁酯和正硅酸乙酯混合，制备TiO2溶胶；
[0012] (7)真空浸渍：将步骤（5)中的隔热基体放入真空罐中，抽真空，将步骤（6)中的 溶胶浸渍到隔热基体中；
[0013] (8)隔热基体复合TiO2凝胶：将水解液倒入步骤（7)中的隔热基体中，整个过程在 振动磨上进行，直到TiO 2溶胶全部变为凝胶，得到复合TiO 2凝胶的隔热材料基体；
[0014] (9)超临界干燥：在高压反应釜中将步骤（8)得到的隔热材料基体进行超临界干 燥，即得。
[0015] 步骤（1)中所述的石英纤维的直径为l-3um，氧化铝纤维的直径为l-5um〇
[0016] 步骤（2)中所述的硅溶胶、粘结剂和去离子水的配比为75-125:1-4:3000-5000， 娃溶胶以g计，粘结剂以g计，去离子水以ml计。
[0017] 步骤（2)中所述的粘结剂为BN粉，粘结剂的质量为短切石英纤维和短切氧化铝 纤维总质量的1-4% ;短切氧化铝纤维的质量为短切石英纤维和短切氧化铝纤维总质量的 10-40% ;硅溶胶为酸性硅溶胶，且SiO2有效成分的含量为20%。
[0018] 步骤（3)中所述的PH值为3-4。
[0019] 步骤（3)中所述的酸优选0· 5mol/l的盐酸。
[0020] 步骤⑷中所述的真空条件中真空度为一0. 01- - 0.1 MPa ;干燥条件为在70°C下 干燥12h，之后在140°C的温度下干燥4h。
[0021] 步骤⑷中所述的抽滤时间为5-10min。
[0022] 步骤（5)中所述的热处理温度为1200-1240°C，热处理时间为l_2h。
[0023] 步骤（5)中所述的窑炉为传统辐射加热窑炉，如硅钼棒高温炉，电阻丝高温炉等。
[0024] 步骤（6)中所述的正硅酸乙酯和正钛酸四丁酯的体积比为1:4-10。
[0025] 步骤（7)中所述的抽真空时间为0. 5_2h。
[0026] 步骤（7)中采用虹吸的原理将步骤（6)中的溶胶浸渍到隔热材料基体中。
[0027] 步骤（8)中所述的水解液是将TEOS、HAc和H2O混合均勾，搅拌10-30min ;TE0S、 HAc 和 H2O 的体积比为 1: 0· 75: 0· 5-2。
[0028] 步骤（9)中所述的干燥介质为乙醇，干燥压力为8. O-lOMPa，干燥温度为 270-300 °C，干燥时间为4-8h。
[0029] 步骤（9)采用超临界干燥的条件干燥纳米Ti02。
[0030] 所述的红外遮蔽剂TiO2是采用溶胶-凝胶法制备，且TiO 2的尺寸为IOOnm以下。
[0031] 近年来科技的发展对刚性隔热材料的性能也提出了新的要求更高的工作温度、更 低的导热系数以及更高的力学性质，因此一种添加纳米110 2红外遮蔽剂的石英纤维和氧化 铝纤维制备多孔隔热材料的新工艺也就应运而生。它主要是利用纤维的纺织特征或纤细形 态，通过粘结剂在纤维之间形成节点相互架构成多孔的隔热材料基体，通过溶胶-凝胶法 引入纳米TiO 2。本发明选用短切石英纤维和氧化铝纤维作为增强体，将短纤维均匀分散于 料浆中，然后通过料浆真空抽滤成型、干燥固化及热处理等工序，制成性能优良的轻质刚性 多孔的隔热材料基体。通过溶胶真空浸渍技术，利用溶胶-凝胶法制备TiO 2溶胶，将纳米 TiO2溶胶浸渍到隔热材料基体。最后通过老化及超临界干燥处理工序，制备出性能优异的 添加纳米1102红外遮蔽剂的刚性隔热材料。
[0032] 隔热材料基体和1102凝胶浸渍的隔热材料热处理工艺环节中采用的是传统窑炉 和高压反应釜作为热处理设备，通过纤维和粘结剂的比例控制隔热基体材料孔隙率的问 题，调节老化时间和超临界干燥时间控制纳米110 2凝胶在隔热基体中颗粒大小和分布情 况。此外，本发明操作简便，便于实现大尺寸制品的批量化及工程化生产。
[0033] 本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0034] 本发明利用纳米TiO2对红外区域的热量高吸收高发射的特点，作为遮蔽剂可以有 效的降低辐射传热，以超细、高强、耐高温且稳定性好的石英纤维和氧化铝纤维作为骨架， 辅以粘结剂制备出高效隔热的隔热材料基体，借助隔热基体多孔的特点，通过溶胶-凝胶 的方法将纳米的TiO 2引入到隔热基体的孔隙中。本发明具有科学合理、易于实施、生产周 期短、投资成本低的优势，利用该法制备的轻质刚性隔热材料在保证高气孔率的前提下具 有较高的力学性能和优良的隔热效果，同时还具有良好的抗热震性能。
【具体实施方式】
[0035] 以下结合实施例对本发明做进一步描述。
[0036] 实施例中使用的原料规格如下：
[0037] 石英纤维：纤维棉，直径l_3um，SiO2含量多99% ;
[0038] 氧化铝纤维：纤维棉，直径l-7um，Al2O3含量彡71% ;
[0039] 硅溶胶：化学纯，SiO2含量不少于20% ;