[发明专利]岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种岩棉纤维增强氧化硅基高强度隔热复合材料及其制备方法，目的是使复合材料强度高、热导率低。本发明材料由氧化硅基体和岩棉纤维预制件组成，氧化硅基体填充于岩棉纤维的孔隙中并使岩棉纤维粘接成整体；岩棉纤维预制件由岩棉纤维铺排而成，氧化硅基体由氧化硅小颗粒堆积形成，氧化硅小颗粒由水性硅溶胶经凝胶老化、常压干燥、重复浸渍、高温烧结得到；制备方法是将水性硅溶胶在真空下与岩棉纤维预制件浸渍形成纤维预制件/溶胶混合体，并加热一段时间后得到湿凝胶复合材料，然后常压干燥，再重复浸渍2‑6次，最后高温烧结制得复合材料。本发明材料力学性能较高，热导率低，密度低，制备方法成本低、安全性高，制备工艺简单灵活。

技术领域

本发明涉及一种高强度的隔热复合材料及其制备方法，尤其涉及一种以氧化硅(SiO₂)为基体，岩棉纤维为增强体的岩棉纤维增强氧化硅陶瓷基高强度隔热复合材料及其制备方法。

背景技术

新型高速飞行器在大气层中长时间飞行时，具有飞行马赫数高、高机动性和飞行时间长等特点，飞行器表面承受着严重的气动加热，机体表面温度很高。为了确保电子电气设备正常工作，阻隔热量进入机体内部，必须在飞行器上敷设大面积热防护系统(ThermalProtection System,TPS)，TPS对于新型飞行器的研制、应用具有举足轻重的地位。

飞行器大面积热防护系统(TPS)中防热陶瓷盖板和内部支架结构之间需要连接螺栓进行连接，而这些连接螺栓热导率较高，外部热量会通过连接螺栓传导至飞行器内部，产生热桥效应。热桥严重影响TPS系统的隔热效果，可能影响到内部电子元器件的正常工作，对飞行器的飞行安全构成威胁。高强度隔热材料(垫片)主要发挥热桥阻断功能，起到延缓热量向飞行器内部传递的作用，需要有较低的热导率；此外，为了方便安装和固定，一般需要有较高的强度。因此，新型航天飞行器热防护系统迫切需要一种可以发挥热桥阻断功能的耐高温高强度隔热复合材料。

随着能源的日益紧张，各国倡导节能减排，高效隔热材料应用于高温工业领域中，可以大幅度地提高热能使用率。工业高温窑炉用的隔热材料一般具有隔热、承重的功能，如耐火砖，这是一种用耐火黏土或其他耐火原料烧制成的具有一定形状和尺寸的耐火材料，可用作建筑窑炉和各种热工设备的高温建筑材料和结构材料，并在高温下能经受各种物理化学变化和机械作用。由于传统的耐火砖气孔尺寸较大，孔径多处于毫米级，导致材料热导率较高，隔热保温效果不佳【佛山陵朝新材料有限公司.一种高强度隔热耐火砖的制备方法:中国,CN201810626565.9[P].2018-11-06.】。因此高温工业领域也对耐高温高强度隔热复合材料有迫切的需求。

多孔隔热材料具有较低的热导率，常被用于隔热领域，但多孔材料的高孔隙率导致其强度不高。为了进一步提高多孔陶瓷材料强度，研究人员将多孔陶瓷作为基体，在基体中引入增强纤维，不仅可以提高材料的力学性能，同时纤维的引入还可以起到阻挡红外辐射的作用，有利于降低复合材料的高温热导率；如艾建平等【艾建平,周国红,王正娟,等.先驱体转化法制备氧化锆毡/氧化锆多孔复合材料的力学与热学性能研究[J].中国材料进展,2015,34(12):916-920.】以氧化锆纤维毡为增强纤维，采用真空压力浸渍工艺制备氧化锆纤维毡增强氧化锆陶瓷基复合材料，材料密度为3.2g/cm³，最大压缩强度40.0MPa；在100～1200℃范围内，材料热导率在0.69～0.85W/m·K之间；专利CN104446580A【王思青,张长瑞,曹峰,等.一种连续纤维布增强二氧化硅陶瓷基复合材料的制备方法：CN104446580A[P].2015】公布了一种连续纤维布(石英纤维、BN纤维、Al₂O₃纤维)增强二氧化硅陶瓷基复合材料，密度可达1.64g/cm³，虽然具有很高的压缩强度(常温下高达97.8MPa)，但其常温热导率高达0.41W/m·K；可以看出纤维增强陶瓷基复合材料力学性能较好，但由于材料密度较高，孔隙率较低，材料热导率较高。