本发明属于热防护材料，特别涉及一种耐冲击氧化铝表面增强热防护材料及其制备方法。
背景技术：
1、随着空间飞行器飞行速度的不断提升，飞行器的热防护问题已成为制约其发展的瓶颈问题。其中，热防护材料是热防护系统的重要组成部分，该材料性能的好坏决定了飞行任务的成败。考虑到飞行器飞行速度不断提升、可重复使用的要求不断显现，热防护材料不断向耐高温、低导热、非烧蚀、抗氧化等方向发展。
2、航天飞行器的迎风面大多采用刚性隔热瓦进行热防护，背风面采用柔性隔热毡进行热防护。有的航天飞行器的鼻锥及翼前缘外部采用碳纤维增强碳基体材料，内部填充隔热材料进行热防护。有的航天飞行器的迎风面采用金属tps进行热防护，利用面板承受力载荷并通过外壁或支架将之传递至机体，同时利用隔热芯层实现隔热作用。陶瓷盖板式tps的材料典型结构分为两个部分：一方面，c/sic陶瓷面板(含加强筋)、铆接支架组成承力部分，承担气动力并由支架将力传递给机体；另一方面，由热密封垫、轻质隔热芯层组成隔热部分，阻止气动热向内部传递。有的航天飞行器在翼前缘部位采用了一体化防隔热方案——整体增韧抗氧化复合材料tufroc方案。主体结构为防热碳帽与隔热基体一体化的二元结构，综合了碳材料的耐高温性能，以及硅基多孔陶瓷瓦的高效隔热性能。云霄塔空天飞机采用硬壳式热防护结构。波纹陶瓷盖板构成机身外壳，通过支架与机身骨架连接传递载荷；盖板下方由多层隔热层组成隔热结构，阻止热量向内传递，同时向外辐射热量。有的航天飞行器在大面积热防护温区采用了盖板式防热结构，主要以碳/碳复合材料为轻质盖板，碳/碳盖板具有优异的耐高温性能，同时具有优良的抗氧化性能，该盖板为薄壁结构，可有效减轻重量，内部填充多层梯度高效隔热材料，防热材料和隔热材料之间通过支柱进行连接。有的航天飞行器在高温大面积热防护区域也采用类似结构，表面为薄壳陶瓷基面板，主体结构为多层高效隔热材料。面板具有大尺寸结构，不仅耐高温而且可以承受相当的气动载荷，盖板内部的梯度隔热层根据温度不同，采用不同性能的隔热材料，同时在其中添加热辐射材料，阻挡高温热量的传输，提高隔热性能，盖板与冷结构的相连得益于轻质复合材料支撑框架。
3、综合来看，目前使用的几类热防护材料存在以下几个特点：(1)刚性隔热瓦，主要用于迎风面，具有轻质、耐高温、低热导率等特点，是优良的隔热材料。但陶瓷瓦的脆性大、抗损伤能力差、维护成本高以及更换周期长；(2)柔性隔热毡，可以做成较大形状、不存在热应力的问题，安装操作更方便。但其表面粗糙度较高及本身承载能力弱，只限应用于气流冲刷相对缓和的飞行器背风面；(3)盖板式tps，无需额外气动外壳，表面抗冲击性能好。金属tps，面板所采用的合金种类决定了该金属tps的耐温性，一般在900～1200℃左右。而且当使用温度进一步升高，金属材料会逐渐显现出氧化及不可逆形变的问题；陶瓷tps，盖板外壳材料有sicf/sic、cf/sic、cf/c材料或在此基础之上改进的复合材料，长时使用，存在氧化问题；(4)整体增韧抗氧化复合材料，创新使用了防热隔热一体化的设计方法，实现了抗氧化烧蚀外层与高韧性隔热基体的一体化连接，但结构相对比较复杂。
技术实现思路
1、本技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种耐冲击氧化铝表面增强热防护材料及其制备方法，防热-隔热一体，克服了单纯隔热材料表面力学强度低的缺点，提高了表面的抗冲击能力；采用氧化物纤维作为耐冲击外层，材料表面高温不氧化；可实现舱段级大尺寸样件制备，减少机械连接，且连接部位可调至较低温度受热区，降低了高温下热桥风险，保障了热防护系统的安全性。
2、本技术提供的技术方案如下：
3、一种耐冲击氧化铝表面增强热防护材料，包括耐冲击氧化铝表面增强复合材料层和内部隔热芯材，内部隔热芯材设有底面、顶面、以及连接于底面和顶面边缘的多个连接面，耐冲击氧化铝表面增强复合材料层覆盖内部隔热芯材除底面外的其他表面；所述耐冲击氧化铝表面增强复合材料层由5～50层刷涂有烧结助剂的氧化铝纤维布烧结形成。
4、所述耐冲击氧化铝表面增强复合材料层中，按照各组分质量和为100％计，氧化铝纤维布含量为51.9～92.5wt％、烧结助剂含量为7.5～48.1wt％。
5、所述氧化铝纤维布选自nextel 550纤维布、nextel 610纤维布或nextel 720纤维布。
6、具体的，氧化铝纤维布选自包含约73wt％氧化铝成分的nextel 550纤维布、＞99wt％氧化铝成分的nextel 610纤维布和约85wt％氧化铝成分的nextel 720纤维布中的一种或几种。
7、以所述烧结助剂总质量为100％计，烧结助剂包括陶瓷粉体15～45wt％、溶胶15～50wt％、聚乙烯醇25～65wt％、聚乙二醇(peg 400)2～5wt％和去离子水2～5wt％。
8、具体的，陶瓷粉体包括氧化铝、氧化硅和钇稳定氧化锆中的一种或几种。
9、其中，采用钇稳定氧化锆烧结助剂可使热防护材料的使用温度提高到1500℃以上。
10、所述陶瓷粉体为氧化铝、氧化硅和氧化锆中的一种或几种、溶胶为硅溶胶、铝溶胶、锆溶胶和钇溶胶中的一种或几种。
11、所述内部隔热芯材选自纳米隔热材料或纤维复合隔热材料。
12、所述纳米隔热材料包括纳米陶瓷粉体、无机纤维和遮光剂，纳米陶瓷粉体、无机纤维和遮光剂三者的质量配比为(12～20)：(1～5.5)：1；其中，所述纳米陶瓷粉体包括火焰硅灰、白炭黑、气相二氧化硅、气相氧化铝中的一种或几种；所述无机纤维为短切纤维、石英纤维、氧化铝纤维和氧化锆纤维中的一种或几种；所述遮光剂为二氧化钛、氧化锆、碳化硅中的一种或几种；
13、所述纤维复合隔热材料包括陶瓷纤维、陶瓷粘结剂，陶瓷纤维含量为75～98wt％、陶瓷粘结剂含量为2～25wt％，陶瓷纤维为短切陶瓷纤维或短切陶瓷纤维棉，短切的含义为陶瓷纤维包含的纤维长度≤10mm；其中，所述陶瓷纤维选自石英纤维、氧化铝纤维和氧化锆纤维中的一种或几种；陶瓷粘接剂包括氧化硅、氧化镁、氧化铝和钇稳定氧化锆中的一种或几种。
14、所述纳米隔热材料的制备步骤包括：
15、第一步：称量所需原材料；
16、根据密度和组分要求，计算各成分质量，并称量。
17、第二步：分散混合；
18、将第一步获得的原材料投入到高速混合机中搅拌分散，充分分散混合后得到复合粉料。
19、第三步：复合粉料模压成型
20、将所需质量的复合粉料放入成型模具中，进行模压成型。复合粉料置于压力成型机中，施加0.5-10mpa压力，保压1-24h，脱模得到纳米隔热材料。
21、所述纤维复合隔热材料的制备步骤包括：
22、第一步：称量所需原材料；
23、根据密度和组分要求，计算各成分质量，并称量。
24、第二步：配制纤维浆料；
25、按比例将陶瓷纤维加入到去离子水中，去离子水和纤维比例为(40～120)：1，搅拌10～20min得到纤维分散均匀的浆料；
26、第三步：引入陶瓷粘结剂粉体；
27、将陶瓷粘结剂加入到第二步的浆料中，搅拌3～10min，得到均匀的浆料；
28、第四步：湿坯成型；
29、将第三步得到的浆料采用抽滤法抽滤后，得到纤维各向异性明显分布的湿坯；
30、第五步：湿坯干燥；
31、将第四步得到的湿坯在80～150℃下烘箱干燥48～72h，得到干坯；
32、第六步：烧结；
33、将第五步中得到的干坯在1200～1600℃常压烧结2～12h，得到纤维复合隔热材料毛坯；
34、第七步：加工
35、将第六步中得到的毛坯根据设计要求进行机械加工，得到所需形状的纤维复合隔热材料。
36、一种耐冲击氧化铝表面增强热防护材料的制备方法，根据上述任一所述的一种耐冲击氧化铝表面增强热防护材料制备，包括：
37、s1:将烧结助剂进行球磨，具体包括，将称量的烧结助剂放入球磨罐中球磨，球磨介质为氧化铝磨球，粉料与磨球比例为1:1.6～1:3.5；
38、s2:对单层氧化铝纤维布进行双面刷涂烧结助剂，刷涂后室温晾至2～5min，再重复刷涂多次，获得刷涂后的氧化铝布；
39、s3:将刷涂后的氧化铝布按照设计层数铺设在内部隔热芯材外表面(除去底面的其它五个面)，得到复合湿坯；
40、s4:将复合湿坯进行干燥，获得干燥坯体；
41、s5:将干燥坯体进行烧结。
42、所述步骤s4中，干燥包括，复合湿坯放入耐高温热压袋中并抽真空，压力真空表读数为-0.1mpa时，再转至真空烘箱90～120℃，干燥48～60h，获得干燥坯体。
43、所述步骤s5中，将干燥坯体在1000～1550℃烧结2～12h。
44、本技术的耐冲击氧化铝表面增强热防护材料包括耐冲击氧化铝表面增强复合材料层和内部隔热芯材。耐冲击氧化铝表面增强复合材料层由氧化铝纤维织物与烧结助剂烧结形成；内部隔热芯材主要包括纳米隔热材料和纤维复合隔热材料，通过一体化处理，将具有优良抗氧化、抗烧蚀性能的防热层与具有良好隔热性能的隔热层有效组合。
45、本发明与传统的防热－隔热分开、单块采用机械连接形成一体化的设计方法不同，耐冲击氧化铝表面增强热防护材料创新性地使用了防热－隔热一体的设计方法，克服了单纯隔热材料表面力学强度低的缺点，提高了表面的抗冲击能力，保障了热防护系统的安全性，实现了功能、防热、隔热一体化的设计思想，从而完成本发明。
46、本专利中采用耐冲击氧化铝表面增强复合材料层对内部隔热芯材进行表面增强增韧，实现了氧化铝表面增强复合材料近净尺寸成型，该方法无需额外机械加工，即能将具有优良抗冲击、抗氧化、抗烧蚀性能的防热层与具有良好隔热性能的隔热层有效组合，提高了表面的抗冲击能力，保障了热防护系统的安全性，还具有制备周期短，热力性能可控、可调，成本低的优点。
47、综上所述，本技术至少包括以下有益技术效果：
48、(1)本发明与传统的防热－隔热分开、单块采用机械连接形成一体化的设计方法不同，创新性地使用了防热－隔热一体的设计方法，克服了单纯隔热材料表面力学强度低的缺点，提高了表面的抗冲击能力；减少机械连接，且连接处可设计至较低温度受热区，降低了高温下热桥风险。保障了热防护系统的安全性；
49、(2)耐冲击氧化铝表面增强复合材料层选用氧化铝表面增强复合材料，通过叠层、热压袋干燥、烧结后，可实现近净尺寸制备；
50、(3)可根据材料不同的使用要求，设计表面增强复合材料层和内部隔热芯材的厚度，达到材料热力性能可控、可调。
51、(4)表面增强复合材料层使用相对致密的氧化铝复合材料，结构设计为多层氧化铝纤维布叠加、复合烧结助剂后一体化增强，形成相对致密的结构，可提供材料较高的抗冲击能力，高温不氧化。
52、(5)耐冲击氧化铝表面增强热防护材料制备过程中无需专用设备，可实现舱段级大尺寸制备，且成本较低。
53、(6)通过将多层氧化铝纤维织物复合多种纳米粉体，铺设在内部隔热芯材外部，并通过热压袋加热、加压、增密，最后脱模后烧结，实现了氧化铝表面增强复合材料近净尺寸成型，该方法无需额外机械加工，即能将具有优良抗冲击、抗氧化、抗烧蚀性能的防热层与具有良好隔热性能的隔热层有效组合，提高了表面的抗冲击能力，保障了热防护系统的安全性，还具有制备周期短，热力性能可控、可调，成本低的优点。该材料的使用温度≥1200℃、室温热导率0.041～0.097w/(m·k)、密度0.37～1.02g/cm3、表面经1.5j冲击力后无明显破坏情况。此材料制备方法简单易行，有望替代传统热防护材料。