[发明专利]防热/隔热/承载一体化陶瓷基轻质夹芯结构及其制备方法

权利要求书

1.一种防热/隔热/承载一体化陶瓷基轻质夹芯结构，其特征在于，其结构包括上面板、下面板、波纹板和夹芯层；所述上面板、下面板和波纹板各自独立地为选自C/SiC、石英/石英、Al₂O₃/莫来石、Al₂O₃/Al₂O₃、SiC/SiC中的一种或多种的陶瓷基复合材料板；所述波纹板连接上面板和下面板形成点阵结构，作为防热或承载的轻质化结构；所述夹芯层填充于所述波纹板与上面板和下面板之间的空隙，所述夹芯层为选自SiO₂、Al₂O₃、SiOC、ZrO₂和碳中的一种或多种的气凝胶复合材料，且气凝胶复合材料中有体积分数占4%的硅酸铝、莫来石或高硅氧纤维棉毡中的一种或多种作为增强体；

所述波纹板为多个连续的30~60°的等腰梯形，等腰梯形的上下水平面分别与所述上面板和下面板连接；所述上面板、下面板和波纹板的厚度各自独立地在2～3mm范围内；

所述夹芯层的密度为0.3~0.45g/cm³；所述防热/隔热/承载一体化陶瓷基轻质夹芯结构的密度为0.66~1.0g/cm³；

其制备方法包括以下步骤：

S1、选择加工模具：采用复合材料点阵结构纤维预制体整体成型模具；

S2、纤维预制件的成型：将纤维布剪裁成所需尺寸，在复合材料点阵结构纤维预制体整体式成型模具中铺设10~15层纤维布然后进行层间缝合，直接获得波纹板点阵结构预制体；

S3、致密化：对于直接的获得波纹板点阵结构预制体，采用先驱体溶液真空浸渍-交联固化-高温裂解工艺数次，或溶胶真空浸渍-烘干脱水-高温处理工艺数次，或化学气相沉积工艺数百小时，制得陶瓷基复合材料波纹板点阵结构坯体；

S4、加工：对于陶瓷基复合材料波纹板点阵结构坯体，进行切边、表面平磨加工，获得整体式陶瓷基复合材料波纹板点阵结构；

S5、后致密化：对于步骤S4获得的整体式陶瓷基复合材料波纹板点阵结构采用先驱体溶液真空浸渍-交联固化-高温裂解工艺，或溶胶真空浸渍-烘干脱水-高温处理工艺数次，或化学气相沉积工艺数百小时，获得陶瓷基复合材料波纹板点阵结构；

S6、夹芯层制备：通过包括超临界干燥或发泡法的方法在步骤S5所得的陶瓷基复合材料波纹板点阵结构的空隙原位制备气凝胶复合材料隔热夹芯层，获得防/隔热/承载一体化陶瓷基复合材料轻质夹芯结构；

所述步骤S6具体包括以下步骤：

S61、铺棉：在陶瓷基复合材料波纹板点阵结构的空隙原位处铺设纤维棉毡增强体；

S62、溶胶配制和浸渍：配制溶胶，所述溶胶为SiO₂、Al₂O₃、SiOC、ZrO₂和碳中的一种或多种，然后将铺设纤维棉毡增强体的陶瓷基复合材料波纹板点阵结构置于真空容器中，在真空度100Pa条件下进行溶胶真空浸渍；

S63、老化：在密封容器中静置48小时，凝胶化使网络骨架继续长大；

S64、超临界干燥：将老化完全的铺设纤维棉毡增强体的波纹板点阵结构转移至超临界干燥设备进行超临界干燥，得到防/隔热/承载一体化陶瓷基复合材料轻质夹芯结构；

所述步骤S2中的纤维布为选自碳纤维布、SiC纤维布、石英纤维布和氧化铝纤维布中的一种或多种；对于复合材料点阵结构纤维预制体整体成型模具，铺设的纤维布选用平纹、斜纹布或缎纹布中的一种或多种；

所述步骤S3中先驱体溶液真空浸渍采用的先驱体溶液为重量比1:1的聚碳硅烷-二甲苯溶液或重量比1:1聚碳硅烷-二乙烯基苯溶液；溶胶真空浸渍中的溶胶采用硅溶胶和/或铝溶胶，其中硅溶胶和/或铝溶胶中二氧化硅和/或氧化铝的质量浓度超过40%；真空浸渍的时间12小时；所述步骤S3中的数次各自独立地为3~8次；所述S3步骤中的数百小时为300~400h；

所述步骤S5中的数次各自独立地7~12次；

所述步骤S1中的复合材料点阵结构纤维预制体整体成型模具包括：方向控制滑轨平板（1）、外压板（3）、内压板（4）、固定块（5）、梯形垫块（6）；所述方向控制滑轨平板（1）用于与梯形垫块（6）配合形成波纹结构，包括2块布局相同的平板，平板上沿长度方向同一水平线上设置有N+1个倒立等腰梯形通孔和N个正立等腰梯形通孔，N为正整数，所述正立等腰梯形通孔和倒立等腰梯形通孔相对交错排列；两块平板的四角对应设置有滑轨平板连接孔（2），用于通过滑轨柱使两块平板相距预定尺寸连接并固定； 所述梯形垫块（6）为等腰梯形横截面的长条块，用于填充并连接所述两块方向控制滑轨平板上的倒立等腰梯形通孔和正立等腰梯形通孔；所述固定块（5）的外形尺寸与梯形垫块（6）一致，用于置于方向控制滑轨平板上两端最外侧的倒立等腰梯形通孔中，固定块（5）上设有固定块连接孔以与方向控制滑轨平板固定连接，用于固定铺设的波纹板纤维布；所述梯形垫块（6）和固定块（5）在复合材料点阵结构纤维预制体成型时作为点阵结构中的中空结构支撑块，即石墨芯模，其材质为石墨；所述外压板（3）包括两个边框对应位置设有边框连接孔（9）的中空框架，用于压紧连接所述方向控制滑轨平板（1）两块平板之间的固定块（5）和梯形垫块（6），以形成复合材料的波纹结构；所述内压板（4）包括两块平板，分别置于外压板（3）两个框架的内侧并通过压板连接孔（8）与外压板（3）的框架固定连接，用于压紧设置在方向控制滑轨平板（1）两块平板之间的复合材料面板以形成复合材料面板结构，并用于铺设复合材料；所述倒立等腰梯形通孔的长底边连接方形通孔，方形通孔与倒立等腰梯形通孔连通为一体，便于纤维预制体成型过程中梯形垫块（6）的插入和压模。