[发明专利]一种轻质刚性陶瓷隔热瓦及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种轻质(密度一般小于1.0g/cm³)刚性陶瓷隔热瓦及其制备方法，属于多孔陶瓷材料技术领域，本发明可用于航天飞行器的热防护材料。

背景技术

航天飞行器在大气层中飞行时，由于严酷的气动加热环境，必须使用轻质、高效的隔热材料来阻止热量向飞行器内部传递，以保证飞行器的安全。除重量轻和热导率低之外，隔热材料的力学性能(拉伸强度、压缩强度等)也是材料选择时需要考虑的重要因素。美国在研制航天飞机的过程中，发展了以石英纤维为主的刚性陶瓷隔热瓦，用于航天飞机表面的热防护。陶瓷隔热瓦的最高使用温度可超过1200℃，室温热导率可低至0.05W/m·K，拉伸强度大于0.4MPa。自上世纪六十年代以来，美国先后发展了LI(Lockheed Insulation)、FRCI(Fiberous Refractory Composite Insulation)、AETB(Alumina EnhancedThermal Barrier)和BRI(Boeing Rigid Insulation)等系列陶瓷隔热瓦，用于航天飞机的大面积热防护材料。其中LI是由纯石英纤维制备的陶瓷隔热瓦，其热导率较低，但强度不高；FRCI是由石英纤维和硼硅酸铝纤维为原料制备而成的陶瓷隔热瓦，提高了材料的力学性能；AETB是由石英纤维、硼硅酸铝纤维和氧化铝纤维为原料研制的陶瓷隔热瓦，进一步提高了陶瓷隔热瓦的力学性能和高温稳定性；BRI是波音公司研制的以石英纤维和氧化铝纤维为原料的陶瓷隔热瓦。目前，陶瓷隔热瓦的性能能仍在不断提高，是各类飞行器热防护系统设计过程中重要的备选材料方案。

陶瓷隔热瓦的制备工艺主要包括纤维分散、湿坯成型以及高温烧结等主要工艺过程。航天材料及工艺研究所在国内最早开始陶瓷隔热瓦的研制，但是由于国内没有性能满足要求的氧化铝纤维或硼硅酸铝纤维，研制出的陶瓷隔热瓦的隔热性能和力学性能与美国产品相比差距明显。到目前为止，国内仍不能提供高性能的在氧化铝纤维或硼硅酸铝纤维，严重阻碍了陶瓷隔热瓦性能的提升。另一方面，高性能的氧化铝纤维和硼硅酸铝制造成本非常高，不利于陶瓷隔热瓦的成本控制。上世纪七十年代，美国通用公司也曾开展莫来石纤维陶瓷瓦的研制，但是其性能逊于石英纤维陶瓷瓦，因而未被航天飞机热防护系统采用，研究工作也停止了，在公开文献中也没有具体的配比和性能的报道。因此，发展替代氧化铝纤维或硼硅酸铝纤维的陶瓷隔热瓦制备工艺，同时使陶瓷隔热瓦具有与美国已有陶瓷隔热瓦相媲美的综合性能，满足我国飞行器型号发展需求势在必行。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种采用石英纤维和莫来石纤维替代氧化铝纤维或硼硅酸铝纤维、且具有良好隔热性能和力学性能轻质刚性陶瓷隔热瓦及其制备方法。

本发明的技术解决方案是：一种轻质刚性陶瓷隔热瓦，包括陶瓷纤维、淀粉、烧结助剂和遮光剂，其中所述陶瓷纤维由质量百分数为50～100％的石英纤维和0～50％的莫来石纤维组成，烧结助剂为氮化硼，氮化硼质量为陶瓷纤维质量的0.01～15％，淀粉质量为陶瓷纤维质量的0.05～15％，遮光剂为碳化硅，碳化硅质量为陶瓷纤维质量的0～20％。

一种制备轻质刚性陶瓷隔热瓦的方法，通过以下步骤实现：

第一步，配制烧结助剂浆料，

按比例将氮化硼或氮化硼和氮化硅的混合物分散在去离子水和无水乙醇的混合溶液中，搅拌均匀得到不含或含有遮光剂的烧结助剂溶液；

第二步，陶瓷纤维分散，

按比例将石英纤维、莫来石纤维、淀粉和第一步配置的烧结助剂浆料按顺序加入到去离子水中，搅拌均匀后得到陶瓷纤维分散均匀的浆料；

第三步，湿坯成型，

将第二步得到的浆料真空抽滤后压制得到陶瓷隔热瓦湿坯；

第四步，湿坯干燥，

将第三步得到的陶瓷隔热瓦湿坯在60～150℃下干燥0.5～48小时，得到陶瓷隔热瓦干坯；

第五步，烧结，

将第四步得到陶瓷隔热瓦干坯在1200～1500℃下烧结2～12小时，得到轻质刚性陶瓷隔热瓦。

所述第二步中去离子水和陶瓷纤维的质量比为40～120∶1。

所述第三步中压制成型的压力1～10MPa。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明以莫来石纤维代替氧化铝纤维和硼硅酸铝纤维，在降低成本的同时，提高了隔热性能和力学性能，得到的陶瓷隔热瓦性能与美国航天飞机使用的陶瓷隔热瓦性能相近；