[发明专利]表面韧化的氧化铝纤维刚性隔热瓦多层复合材料、涂层组合物、制备方法及其应用

说明书

本发明涉及表面韧化的氧化铝纤维刚性隔热瓦多层复合材料、涂层组合物、制备方法及其应用。所述复合材料包括多孔氧化铝纤维基体、表面韧化氧化铝致密陶瓷层、高发射率氧化物热障涂层和低化学催化系数玻璃涂层。所述涂层组合物包括表面韧化氧化铝致密陶瓷层组合物、高发射率氧化物热障涂层组合物和低化学催化系数玻璃涂层组合物。所述复合材料的制备方法包括依次制备所述基体、所述致密陶瓷层、所述热障涂层和所述玻璃涂层。本发明还提供了所述复合材料在飞行器外表面的热防护材料中的应用。本发明采用新颖的工艺技术，利用独特的基体和涂层组合物，制得具有可在1600℃环境中长时间可重复使用、具有优越的耐温性的复合材料。

本案为申请日2016年09月14日，申请号201610825929.7，名称“表面韧化的氧化铝纤维刚性隔热瓦多层复合材料、涂层组合物、制备方法及其应用”的分案申请。

技术领域

本发明涉及表面韧化的氧化铝纤维刚性隔热瓦多层复合材料及其制备方法，属于功能复合材料技术领域。

背景技术

氧化物陶瓷纤维刚性隔热瓦多层复合材料作为飞行器外表面的热防护材料使用，具有耐温高、质量轻、可重复使用等诸多优点。因此，美国航天飞机大面积采用了刚性隔热瓦多层复合材料作为热防护材料。典型的刚性隔热瓦多层复合材料基体包括LI-900及LI-2200(美国专利3952083号)、FRCI(美国专利 4148962号)、HTP(R.P.Banas.et.al.,Thermophysical and Mechanical Properties of the HTP Family of Rigid CeramicInsulation Materials，AIAA-85-1055)、AETB (Daniel B.Leiser et.al.,Options forImproving Rigidized Ceramic Heatshields,Ceramic Engineering and ScienceProceedings,6,No.7-8, pp.757-768，1985)以及BRI(美国专利6716782B2号)。上述五种刚性隔热瓦多层复合材料都是以石英纤维为主要组分。然而，以石英纤维为主要组分的刚性隔热瓦多层复合材料材料可重复使用温度极限为1500℃，高于此温度值时，石英纤维会快速析晶，从而导致隔热瓦收缩变形，进而发生失效。因此以石英纤维为主要组分的刚性隔热瓦多层复合材料作为飞行器外表面隔热材料在高于 1500℃使用时可靠性很低。

美国GE公司为航天飞机外表面热防护开发了莫来石刚性隔热瓦多层复合材料(Reusable External Insulation,REI-Mullite,NASA TMX-2719，第17-60 页)，其耐温性优于LI-900全石英刚性隔热瓦多层复合材料。

我国从上世纪80年代开始，开展了刚性陶瓷隔热瓦纤维基体的研制工作。山东工业陶瓷研究设计院在CN 101691138A公开了一种航天飞机隔热瓦的制备方法。这种航天飞机隔热瓦由50％至95％质量分数的石英纤维、5％至50％质量分数的氧化铝纤维以及0至5％质量分数的氮化硼粉末烧结剂组成。该专利公开的隔热瓦涂层配方中含有大量碱金属与碱土金属离子，高温下会导致涂层粘度显著降低，限制了隔热瓦的使用温度，因此这样的仅能在1200℃以下使用。

CN102199042A中公开了一种轻质刚性陶瓷隔热瓦的组成及其制备方法。该种刚性陶瓷隔热瓦由50％至100％的石英纤维和0％至50％的莫来石纤维组成，添加陶瓷纤维质量0.01至15％的氮化硼粉末烧结剂，同时添加陶瓷纤维质量0至20％的碳化硅粉末作为高温抗辐射剂。CN 104529369A和 CN201510632711.5公开了一种由石英纤维、氧化铝纤维和/或氧化锆纤维组成的刚性隔热瓦多层复合材料的制备方法。

新一代高速飞行器的飞行速度达到数马赫甚至十几马赫，飞行器迎风面大面积位置温度可能达到1500℃至1650℃，因此必须开发耐温性更高的刚性隔热瓦多层复合材料材料，以满足新一代高速飞行器的热防护需求。