仿生自愈合相变吸热A1微胶囊/陶瓷基复合防热材料及制备方法技术

仿生自愈合相变吸热Ａｌ微胶囊／陶瓷基复合防热材料及制备方法，属一种陶瓷薄壳包覆低熔点金属Ａｌ的微胶囊增强耐高温陶瓷基仿生功能复合材料及其制备方法。Ａｌ微胶囊壁－－高温度陶瓷薄壳在常温和高温下保持Ａｌ微胶囊的形状；低熔点金属Ａｌ核具有类似血液结痂封闭创口的自愈合功能，并具有类似汗液挥发降温的相变吸热降温的功能。Ａｌ微胶囊可由商用铝或其合金粉经预先氧化、液相包覆或烧结过程中原位氧化而形成，复合材料由常规冷压成型－无压烧结或热压烧结成型。所制备的Ａｌ微胶囊增强陶瓷基高温自愈合复合材料具备了轻质、强韧、自愈合、相变吸热等特点。可用作航空航天以及相关产业的热防护材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航空航天领域可重复使用高温热防护材料用的一种相变吸热、高 温自愈合Al微胶囊增强陶瓷基耐高温复合防热材料及其制备方法。
技术介绍
航天器的再入飞行环境情况是非常的极端和苛刻。要承受至少15分钟，温 度高达2000K的环境考验顺利返回，对航天器的热防护系统提出了更加严格的 要求。然而，存在着多种因素有可能对防热材料结构造成破坏。例如在地面操作 中的碰撞、航天器发射时落下的冰块或其他物体以及在空间中的微流星和空间碎 片的撞击等等，都会导致对防热材料结构造成破坏。在极其恶劣的航天器再入环 境下，哪怕是防热结构中的一个极微小的裂缝或孔洞，都会导致整个防热系统的 失效，进而造成巨大的灾难和损失。2003年2月1 R，美国哥伦比亚号航天飞 机在返回地球过程中失事，所有机组成员全部遇难，令全世界震惊。而造成这一 灾难的"罪魁祸首"TH是航天飞机左翼迎风面防热结构中的一处破损。其后，美 国航空航天局以及欧洲航空航天局先后开展了仿生自愈合材料与机理的研究。在诸多种类材料中，树脂基复合材料的裂纹自愈合研究进展最快。目前树脂 基复合材料的裂纹自愈合研究即将从微胶囊、空心纤维预贮修复介质和固化剂的 第一代自愈合结构进入模仿毛细血管丛的第二代自愈合结构研究阶段，树脂基复 合材料第二代自愈合结构的研究已开始启动。陶瓷基复合材料的自愈合行为与树脂基复合材料的有很大不同。首先，陶瓷 基复合材料的服役温度远高于树脂基复合材料；其次，树脂基自愈合材料中的修 复介质需要和固化剂相遇才能发生交联固化而自愈合，而陶瓷自愈合往往通过其 中某些活性组分的高温氧化来实现；而且陶瓷基复合材料制备温度高，制备难度 大。因而，国内外陶瓷材料中裂纹高温自愈合研究远远落后于树脂基自愈合材料， 目前尚处于起歩阶段。当前为数不多的陶瓷材料自愈合研究也多局限于在增强碳碳复合材料中添加SiC、 B4C.以及MoSi2微纳米颗粒，通过微纳米颗粒氧化形成 Si02等来愈合增强碳碳材料中的微裂纹，以及TiC/Si3N4、 Mullite/ Zr02/SiCp复相陶瓷材料中由于微纳米颗粒所引起的裂纹愈合行为研究。尚无第一代、第二 代自愈合结构应用到陶瓷材料，特别是陶瓷基热防护材料中应用的报道。近年来随着我国神舟系列航天飞机的陆续发射以及载人航天技术的曰益成熟，实现航天 器重复使用及保障航天器和宇航员安全返回，自愈合结构在包括刚性泡沫陶瓷防 热瓦在内的陶瓷基热防护材料中应用研究显得尤为迫切。 '
技术实现思路
本专利技术针对航空航天领域可重复使用高温热防护材料用的苛刻要求，提出一 种适用于铝溶点至140(TC温度范围的相变吸热Al微胶囊增强陶瓷基高温自愈合 复合防热材料，并提供其制备方法。一种仿生自愈合相变吸热Al微胶囊/陶瓷基复合防热材料，其特特征在于 包括陶瓷基体、以及均匀分布在陶瓷基体中的陶瓷薄壳包覆Al微胶囊，其中陶 瓷薄壳包覆Al微胶囊直径小于80pm，其体积份数占陶瓷基体的5%-70%。上述陶瓷基本是高烙点的氧化物、硼化物、硅化物、碳化物、氮化物中一种 或几种的混合物。上述陶瓷薄壳包覆Al微胶囊中的Al核其材质是纯铝或铝合金。 上述Al微胶囊外包覆的陶瓷薄壳材质是氧化铝基陶瓷或其他氧化物陶瓷，且在 烧结过程中与基体陶瓷之间化学稳定性良好，其壳层厚度为0.1-10^n。原理说明仿生自愈合相变吸热Al微胶囊/陶瓷基复合防热材料的自愈合功 能是通过如下机制实现的。在铝溶点到140(TC的高温环境下，陶瓷基体中的微 裂纹扩展到Al微胶囊壁中，并引起A1微胶囊破裂，高温熔化的A1金属核溢出 在Al微胶囊壁——陶瓷壳层中的裂纹处与氧气接触，发生高温氧化直接生成致 密的氧化铝基陶瓷相结痂遮闭裂纹"创口 "。仿生自愈合相变吸热Al微胶囊/陶瓷基复合防热材料的相变吸热功能是通过 如下机制实现的。当高温度陶瓷鞘中的低熔点Al核在熔化过程中大量吸热，降 低体系中陶瓷基体的温度，即具有类似汗腺中汗液挥发降温的相变吸热的功能。 该复合材料还可以通过调节Al的比例來调节材料的密度，而且Al微胶囊还可以 大大提高材料的低温韧性。该复合材料具备了轻质、强韧、自愈合、相变吸热等 特点。可用作航空航天以及相关产业的热防护材料。复合材料料中陶瓷薄壳包覆的Al微胶囊直径不得大于8(^m，占陶瓷基体的 体积份数不得大于70%，否则会导致复合材料综合机械性能的降低。复合材料中 其Al微胶囊体积份数占陶瓷基体不得小于5%，否则自愈合与相变吸热效果不显 著。Al微胶囊外包覆的陶瓷薄壳厚度为0.1-10)im，过薄在烧结以及在高温服役 过程中会发生Al微胶囊陶瓷薄壳的意外破损；如果厚度大于10|im会导致Al微 胶囊陶瓷薄壳破裂的推迟，影响裂纹的及时愈合。方法1: 一种仿生自愈合相变吸热Al微胶囊/陶瓷基复合防热材料的制备方法，其特征在于，具体过程如下(1) 、预氧化法制备陶瓷薄壳包覆Al微胶囊，具体过程 铝粉预氧化将铝粉经不小于200目过筛、清洗、抽滤、烘干后，在氧化性气氛中加热至800 110CTC，保温0.5~5小时，则在Al粉体表面直接形成A1203 基陶瓷薄层-,(2) 、将歩骤(1)制得的陶瓷薄壳包覆A1微胶囊和陶瓷基体粉体原料以及 成型助剂、烧结助剂相混合后，压块、烧结，其中陶瓷薄壳包覆的Al微胶囊其 体积份数占烧结体的5%-70%。上述烧结过程为大气中常压烧结或热压烧结。方法2: —种仿生自愈合相变吸热Al微胶囊/陶瓷基复合防热材料的制备方 法，其特征在于包括以下过程(1) 、溶胶-凝胶法制备陶瓷薄壳包覆Al微胶囊，具体过程将铝或其合金粉经不小于200目过筛、清洗、抽滤、烘干后，加入蒸馏水， 并进行超声波分散，采用溶胶凝胶法在铝粉上包覆氧化物陶瓷壳层，然后过滤、 清洗，烘干，再经过200-50(TC热处理便制得氧化物陶瓷壳层包覆Al微胶囊粉 体；(2) 、将歩骤(1)制得的氧化物陶瓷薄壳包覆A1微胶囊和陶瓷基体粉体原 料以及成型助剂、烧结助剂相混合后，压块、烧结，其中陶瓷薄壳包覆的A1微 胶囊其体积份数占烧结体的5%-70%。溶胶凝胶法是目前制备无机材料薄膜使用较广的一种方法，由于其生产成 本低，镀膜时所需的温度也较低。其原理是以适宜的无机盐或有机盐为原料制的溶胶，涂覆在基体表面，经水解和縮聚反应等在基材表面胶凝成膜，再经干燥， 煅烧与烧结获得表面膜。溶胶-凝胶法一般包括由以下歩骤组成金属无机盐或 醇盐溶液配制；基材表面清洗；基材上形成液态膜；液态膜的凝胶化；干凝胶转 化为氧化物薄膜。与上述直接氧化法不同，溶胶-凝胶法制备陶瓷薄壳包覆Al微胶囊的陶瓷薄 壳其材质可以是氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化锆或氧化镁其中一种以及它们间 的复合物。上述材料溶胶-凝胶包覆工艺过程所用溶胶的配制原料与配方参数与 目甜商用的溶胶-凝胶法光学、铁电功能以及腐蚀防护薄膜涂覆工艺过程中所用 的相同。方法3: —种仿生自愈合相变吸热Al微胶囊/陶瓷基复合防热材料的制备方 法，其特征在于包括以下过程(1) 、将铝粉经不小于200目过筛、清洗、抽滤、烘干；(2) 、将歩骤(1)处理后的铝或其合金粉与Mg(N03)2、陶瓷基体粉体原 料、成型助剂、烧结助剂相混合后，压块、烧结；其中Mg(N03)2与铝或其合金 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿生自愈合相变吸热Ａｌ微胶囊／陶瓷基复合防热材料，其特征在于：包括陶瓷基体（１）、以及均匀分布在陶瓷基体中的陶瓷薄壳包覆Ａｌ微胶囊（２），其中陶瓷薄壳包覆Ａｌ微胶囊（２）直径小于８０μｍ，其体积份数占陶瓷基体（１）的５％－７０％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汪涛，高操，蔡雷，姜子晗，陶杰，骆心怡，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]