輕質(zhì)剛性隔熱材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無機復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種輕質(zhì)剛性隔熱材料的制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高超聲速飛行器在大氣層內(nèi)長時間飛行，氣動力、熱環(huán)境十分嚴(yán)酷，材料及熱防護 技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。剛性隔熱材料孔隙率高，容重低，在高溫下具有穩(wěn)定的形狀和一定的 強度，同時具有優(yōu)良的輻射散熱、隔熱、抗沖刷和保持氣動外形的作用。剛性隔熱材料在高 超聲速飛行器中兼具承載和隔熱功效。隔熱功效是隔熱材料的重要功能之一，隨著新型飛 行器的局部溫度超過l〇〇〇°C，因此對隔熱材料提出了更高的要求。研宄和制備耐高溫高性 能隔熱材料是今后發(fā)展的重要方向。
[0003] 高溫下隔熱材料中氣相導(dǎo)熱和輻射導(dǎo)熱占主要地位，其中輻射導(dǎo)熱占的比例大于 氣相導(dǎo)熱。研宄表明500°C以上紅外輻射的比例占50%，1000°C和1300°C高溫條件下，隔 熱材料中分別有76%和85%的輻射能量集中在紅外波段。因此，高溫環(huán)境下，降低紅外波 段輻射是降低隔熱材料導(dǎo)熱率的有效途徑，也是制備性能優(yōu)異的耐高溫高性能隔熱材料的 重要方法。TiO 2亦稱作鈦白粉，它的折光系數(shù)是目前所用填料中最大的，因而它的反射率 很高，是隔熱功能填料的首選。光譜儀測試發(fā)現(xiàn)，它在可見光區(qū)的反射率接近100%，在近 紅外可見光區(qū)的發(fā)射率達85%以上，在200-400nm的近紫外區(qū)的吸收率達到了 85%以上。 有研宄人員以Ti (SO4)2為原料采用化學(xué)沉積方式在空心玻璃微珠外壁包覆了一層厚度為 0· 5 μ m的銳鈦礦型TiO2，所得隔熱填料對可見光和近紅外的反射率分別為86%和81 % 〇有 研宄人員比較分析了包覆TiO2的玻璃微珠和TiO 2玻璃微珠相混合這兩種不同組合方式的 隔熱填料的隔熱性能，發(fā)現(xiàn)包覆TiO2的玻璃微珠的涂層的溫度較TiO 2玻璃微珠相混合的涂 層在室外太陽光照射下溫度要低0. 8。因此將TiO2作為紅外遮蔽劑添加到隔熱材料中，可 以有效地降低高溫區(qū)域的紅外輻射，從而達到降低導(dǎo)熱率和提高隔熱材料的耐溫性能的特 點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種輕質(zhì)剛性隔熱材料的制備方法，制備的隔熱材料在保證 高氣孔率的前提下具有較高的力學(xué)性能，具有良好的隔熱和抗沖刷性能。
[0005] 本發(fā)明所述的輕質(zhì)剛性隔熱材料的制備方法，步驟如下：
[0006] (1)輕質(zhì)剛性隔熱材料纖維的預(yù)處理：對石英纖維進行短切處理，短切處理后纖 維長度在30-150um ;對氧化鋁纖維進行短切處理，處理后的氧化鋁纖維長度在50-250um ;
[0007] (2)隔熱基體成型料漿制備：將步驟（1)制得的短切石英纖維和短切氧化鋁纖維、 硅溶膠、粘結(jié)劑和去離子水進行混合，得到纖維料漿；
[0008] (3)料漿分散：用酸調(diào)節(jié)步驟⑵中纖維料漿的PH值，在V型攪拌器中進行攪拌；
[0009] (4)抽濾成型：步驟（3)得到的料漿在真空條件下進行抽濾成型，之后脫模，移至 恒溫干燥箱干燥；
[0010] (5)熱處理：將步驟（4)制得的材料裝于窯爐中進行熱處理，得到隔熱基體；
[0011] (6) 1102溶膠制備：將正鈦酸四丁酯和正硅酸乙酯混合，制備TiO2溶膠；
[0012] (7)真空浸漬：將步驟（5)中的隔熱基體放入真空罐中，抽真空，將步驟（6)中的 溶膠浸漬到隔熱基體中；
[0013] (8)隔熱基體復(fù)合TiO2凝膠：將水解液倒入步驟（7)中的隔熱基體中，整個過程在 振動磨上進行，直到TiO 2溶膠全部變?yōu)槟z，得到復(fù)合TiO 2凝膠的隔熱材料基體；
[0014] (9)超臨界干燥：在高壓反應(yīng)釜中將步驟（8)得到的隔熱材料基體進行超臨界干 燥，即得。
[0015] 步驟（1)中所述的石英纖維的直徑為l-3um，氧化鋁纖維的直徑為l-5um〇
[0016] 步驟（2)中所述的硅溶膠、粘結(jié)劑和去離子水的配比為75-125:1-4:3000-5000， 娃溶膠以g計，粘結(jié)劑以g計，去離子水以ml計。
[0017] 步驟（2)中所述的粘結(jié)劑為BN粉，粘結(jié)劑的質(zhì)量為短切石英纖維和短切氧化鋁 纖維總質(zhì)量的1-4% ;短切氧化鋁纖維的質(zhì)量為短切石英纖維和短切氧化鋁纖維總質(zhì)量的 10-40% ;硅溶膠為酸性硅溶膠，且SiO2有效成分的含量為20%。
[0018] 步驟（3)中所述的PH值為3-4。
[0019] 步驟（3)中所述的酸優(yōu)選0· 5mol/l的鹽酸。
[0020] 步驟⑷中所述的真空條件中真空度為一0. 01- - 0.1 MPa ;干燥條件為在70°C下 干燥12h，之后在140°C的溫度下干燥4h。
[0021] 步驟⑷中所述的抽濾時間為5-10min。
[0022] 步驟（5)中所述的熱處理溫度為1200-1240°C，熱處理時間為l_2h。
[0023] 步驟（5)中所述的窯爐為傳統(tǒng)輻射加熱窯爐，如硅鉬棒高溫爐，電阻絲高溫爐等。
[0024] 步驟（6)中所述的正硅酸乙酯和正鈦酸四丁酯的體積比為1:4-10。
[0025] 步驟（7)中所述的抽真空時間為0. 5_2h。
[0026] 步驟（7)中采用虹吸的原理將步驟（6)中的溶膠浸漬到隔熱材料基體中。
[0027] 步驟（8)中所述的水解液是將TEOS、HAc和H2O混合均勾，攪拌10-30min ;TE0S、 HAc 和 H2O 的體積比為 1: 0· 75: 0· 5-2。
[0028] 步驟（9)中所述的干燥介質(zhì)為乙醇，干燥壓力為8. O-lOMPa，干燥溫度為 270-300 °C，干燥時間為4-8h。
[0029] 步驟（9)采用超臨界干燥的條件干燥納米Ti02。
[0030] 所述的紅外遮蔽劑TiO2是采用溶膠-凝膠法制備，且TiO 2的尺寸為IOOnm以下。
[0031] 近年來科技的發(fā)展對剛性隔熱材料的性能也提出了新的要求更高的工作溫度、更 低的導(dǎo)熱系數(shù)以及更高的力學(xué)性質(zhì)，因此一種添加納米110 2紅外遮蔽劑的石英纖維和氧化 鋁纖維制備多孔隔熱材料的新工藝也就應(yīng)運而生。它主要是利用纖維的紡織特征或纖細形 態(tài)，通過粘結(jié)劑在纖維之間形成節(jié)點相互架構(gòu)成多孔的隔熱材料基體，通過溶膠-凝膠法 引入納米TiO 2。本發(fā)明選用短切石英纖維和氧化鋁纖維作為增強體，將短纖維均勻分散于 料漿中，然后通過料漿真空抽濾成型、干燥固化及熱處理等工序，制成性能優(yōu)良的輕質(zhì)剛性 多孔的隔熱材料基體。通過溶膠真空浸漬技術(shù)，利用溶膠-凝膠法制備TiO 2溶膠，將納米 TiO2溶膠浸漬到隔熱材料基體。最后通過老化及超臨界干燥處理工序，制備出性能優(yōu)異的 添加納米1102紅外遮蔽劑的剛性隔熱材料。
[0032] 隔熱材料基體和1102凝膠浸漬的隔熱材料熱處理工藝環(huán)節(jié)中采用的是傳統(tǒng)窯爐 和高壓反應(yīng)釜作為熱處理設(shè)備，通過纖維和粘結(jié)劑的比例控制隔熱基體材料孔隙率的問 題，調(diào)節(jié)老化時間和超臨界干燥時間控制納米110 2凝膠在隔熱基體中顆粒大小和分布情 況。此外，本發(fā)明操作簡便，便于實現(xiàn)大尺寸制品的批量化及工程化生產(chǎn)。
[0033] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：
[0034] 本發(fā)明利用納米TiO2對紅外區(qū)域的熱量高吸收高發(fā)射的特點，作為遮蔽劑可以有 效的降低輻射傳熱，以超細、高強、耐高溫且穩(wěn)定性好的石英纖維和氧化鋁纖維作為骨架， 輔以粘結(jié)劑制備出高效隔熱的隔熱材料基體，借助隔熱基體多孔的特點，通過溶膠-凝膠 的方法將納米的TiO 2引入到隔熱基體的孔隙中。本發(fā)明具有科學(xué)合理、易于實施、生產(chǎn)周 期短、投資成本低的優(yōu)勢，利用該法制備的輕質(zhì)剛性隔熱材料在保證高氣孔率的前提下具 有較高的力學(xué)性能和優(yōu)良的隔熱效果，同時還具有良好的抗熱震性能。
【具體實施方式】
[0035] 以下結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步描述。
[0036] 實施例中使用的原料規(guī)格如下：
[0037] 石英纖維：纖維棉，直徑l_3um，SiO2含量多99% ;
[0038] 氧化鋁纖維：纖維棉，直徑l-7um，Al2O3含量彡71% ;
[0039] 硅溶膠：化學(xué)純，SiO2含量不少于20% ;