一种基于树脂基碳泡沫的隔热瓦及其制备方法技术

本发明专利技术公布一种基于树脂基碳泡沫的隔热瓦及其制备方法。所述隔热瓦的结构包括隔热层、外面板、密封板、底面板；所述隔热层具备隔热功能；所述外面板起到表面增强的作用，保护内部结构免受气流冲蚀以及表面冲击损伤，所述密封板与所述底面板是一层致密的耐高温薄板，共同紧密包裹所述隔热层，阻挡氧气进入，避免碳泡沫氧化；所述底面板与主结构连接。本发明专利技术的隔热层，具备与隔热陶瓷相近的密度和热导率，但模量和强度更高，长期使用温度也更高；通过设计所述外面板、密封板与底面板，解决了树脂基碳泡沫易氧化的问题，增加了隔热瓦的刚度、强度和抗冲击性能；树脂基碳泡沫的造价低廉，可以大量生产，使得隔热瓦的应用成本较低，应用面更广。应用面更广。应用面更广。

【技术实现步骤摘要】
一种基于树脂基碳泡沫的隔热瓦及其制备方法


[0001]本专利技术涉及热防护领域，具体的涉及一种基于树脂基碳泡沫的隔热瓦及其制备方法，所述隔热瓦为轻质耐高温可重复使用的隔热瓦。

技术介绍

[0002]近20年来，树脂基碳泡沫成为轻质耐高温隔热材料制备技术和应用开发研究方面的热点之一。当前国内树脂基碳泡沫密度为0.10
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0.25g/cm3，常温热导率0.05W/(m
·
K)，2000℃下热导率小于1W/(m
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K)，杨氏模量100
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250MPa，压缩强度0.10
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2MPa，密封无氧条件下能在2400℃的环境中分子结构保持稳定。相比于高性能陶瓷隔热材料，树脂基碳泡沫具备与其相近的密度和热导率，但具有更高的模量和强度，耐受更高温度。因此，树脂基碳泡沫在航空航天的应用具有很大的潜力，比如用于气动热严重的飞行器结构、发动机进气道和尾喷管等的热防护层。树脂基碳泡沫的成本比陶瓷、硅气凝胶等高性能隔热材料低，在民用领域也有很大应用前景。
[0003]树脂基碳泡沫存在氧化问题，在有氧环境中400℃开始氧化，所以，树脂基碳泡沫在实际使用中通常须要进行抗氧化处理。传统的抗氧化处理包括气相沉积和表面涂层两种工艺，气相沉积工艺抗氧化效果较差，而且会显著增加材料热导率，严重削弱材料隔热性能；表面涂层容易脱落或损坏，难以长期使用。
[0004]树脂基碳泡沫在应用中还存在表面保护问题。树脂基碳泡沫为多孔结构，表面容易损伤且不光滑，在高速气流中易被侵蚀，因此，须要设计一种与树脂基碳泡沫匹配的防护面板。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术以树脂基碳泡沫为隔热材料，设计了与之匹配的抗氧化封装结构和防护面板，合成后的结构作为隔热瓦，具有隔热效果好、重量轻、耐高温、耐冲蚀、可重复使用的特点，可以替代传统陶瓷瓦应用在高超声速飞行器或者空天往返器上，同时，也为其它需要高温隔热的应用提供一种可靠的解决方案。
[0006]本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种基于树脂基碳泡沫的隔热瓦，所述隔热瓦包括隔热层1、外面板2、密封板3、底面板4。所述隔热层1具备隔热功能，所述外面板2起到表面增强的作用，保护内部结构免受气流冲蚀以及表面冲击损伤。所述密封板3与所述底面板4共同紧密包裹所述隔热层1，阻挡氧气进入，避免碳泡沫氧化。所述外面板2覆盖于密封板3上。
[0008]所述密封板3与所述底面板4分别都是一层致密的耐高温的薄板。优选地所述的高温是指温度≤1400℃。优选地所述的薄板厚度大于0且小于等于5mm。
[0009]所述底面板4与主结构5连接，当所述隔热瓦工作环境温度大于600℃时，连接方式选择胶黏剂连接，当所述隔热瓦工作环境温度小于600℃时，尤其是低于400℃时，除胶黏剂连接外，还可以在所述隔热瓦上打孔，用机械连接，比如膨胀螺栓等。所述隔热瓦可以根据
实际需求设计成任何形状，任何符合上述结构形式的隔热瓦都在本专利技术保护范围内。
[0010]所述隔热层1由树脂基碳泡沫制成，须满足以下性能要求：密度0.10
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0.25g/cm3，常温热导率0.05W/(m
·
K)，2000℃下热导率小于1W/(m
·
K)，杨氏模量100
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250MPa，压缩强度0.10
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10MPa。
[0011]所述外面板2的结构形式为层合板或夹层结构，层合板的材料可以是树脂、陶瓷、金属、纤维增强复合材料、C/C复合材料中的一种，夹层结构可以是金属、陶瓷、碳/碳材料所制成的蜂窝夹层结构、泡沫夹层结构、波纹板夹层结构、点阵结构中的一种。所述外面板2的材料选择依赖于所述隔热瓦的设计要求。
[0012]所述密封板3为薄板，优选地所述的薄板厚度大于0且小于等于5mm。所述密封板3包裹所述隔热层1除底面外的其它所有面，与所述外面板2的连接方式可以是胶接21或共固化22，如图2所示。所述胶接21即所述密封板3固化成型后再与所述外面板2粘接固化，所述共固化22即所述密封板3与所述外面板2共固化成型。
[0013]所述隔热层1的底面覆盖有底面板4。所述底面板4的结构形式为层合板或夹层结构，层合板的材料可以是树脂、陶瓷、金属、纤维增强复合材料、C/C复合材料中的一种，夹层结构可以是金属、陶瓷、碳/碳材料所制成的蜂窝夹层结构、泡沫夹层结构、波纹板夹层结构、点阵结构中的一种。因为其工作温度较所述外面板2的低，应根据其工作温度进行选材。
[0014]如上任一所述隔热瓦的制备方法，包括以下步骤：
[0015]步骤1：隔热层1加工。将所述隔热层1按设计要求加工成所需形状，可由单块树脂基碳泡沫胚料机械加工成型，也可由多块胚料拼接(适用于大尺寸隔热瓦)后机械加工成型。拼接方法是，拼接处树脂基碳泡沫可加工成如图3所示的某一种构型，包括台阶搭接31、凹凸搭接32、搭扣搭接33、斜搭接34，在接缝处用耐高温胶黏剂粘接。
[0016]步骤2：外面板2与密封板3加工。所述密封板3与所述外面板2复合成型时，可采用胶接或共固化，成型时需要在所述外面板2的外表面与所述密封板3内部使用模具，以获得所需形状。当所述密封板3材料不是陶瓷基复合材料时，所述隔热层1的树脂基碳泡沫可以作为所述密封板3的内部模具，与所述密封板3一起固化成型；当所述密封板3材料是陶瓷基复合材料时，所述隔热层1的树脂基碳泡沫不可作为内部模具。
[0017]步骤3：封装所述隔热层1。将所述隔热层1放入所述密封板3中，用高温胶黏剂填充缝隙，将所述隔热层1固定住；所述底面板4与所述隔热层1的复合采用胶接连接，胶接固化时要保持抽真空。
[0018]所述隔热瓦的尺寸依赖于所述主结构5的变形，当所述主结构5总弯曲挠度小于1mm时，所述隔热瓦的尺寸可以与所述主结构5相同，形成一完整的隔热屏障，这样可以有效减少接缝处的热桥效应。由于所述隔热层1的树脂基碳泡沫可以采用拼接工艺，所述隔热瓦的尺寸不受原材料尺寸和工艺的限制，仅依赖于所述主结构5的构型、变形与尺寸。例如，所述主结构为飞行器主结构。
[0019]与现有隔热瓦相比，本专利技术所具有的有益效果是：本专利技术以树脂基碳泡沫作为隔热层，具备与隔热陶瓷相近的密度和热导率，但模量和强度更高，长期使用温度也更高；通过设计所述外面板2、所述密封板3与所述底面板4，解决了树脂基碳泡沫易氧化的问题，而且增加了所述隔热瓦的刚度、强度和抗冲击性能；树脂基碳泡沫的造价低廉，可以大量生产，使得所述隔热瓦的应用成本较低，应用面更广。
附图说明
[0020]图1是一种基于树脂基碳泡沫的轻质耐高温隔热瓦内部结构示意图；
[0021]图2外面板与密封板复合工艺示意图；
[0022]图3是树脂基碳泡沫拼接处构型示意图；
[0023]图4是一种树脂基碳泡沫隔热瓦实施例示意图。
[0024]其中：1
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隔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于树脂基碳泡沫的隔热瓦，其特征在于，所述隔热瓦包括隔热层(1)、外面板(2)、密封板(3)、底面板(4)，所述隔热层(1)具备隔热功能，所述外面板(2)起到表面增强的作用，保护内部结构免受气流冲蚀以及表面冲击损伤，所述密封板(3)与所述底面板(4)共同紧密包裹所述隔热层(1)，阻挡氧气进入，避免碳泡沫氧化；所述外面板(2)覆盖于密封板(3)上。2.根据权利要求1所述的隔热瓦，其特征在于，所述密封板(3)与所述底面板(4)分别都是一层致密的耐高温的薄板；优选地所述的高温是指温度≤1400℃；优选地所述的薄板厚度大于0且小于等于5mm。3.根据权利要求1所述的隔热瓦，其特征在于，所述底面板(4)与主结构(5)连接，当所述隔热瓦工作环境温度大于600℃时，连接方式选择胶黏剂连接，当所述隔热瓦工作环境温度小于600℃时，例如低于400℃时，选择胶黏剂连接或者在所述隔热瓦上打孔，用机械连接，比如膨胀螺栓。4.根据权利要求1所述的隔热瓦，其特征在于，隔热层(1)由树脂基碳泡沫制成，满足以下性能要求：密度0.10
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0.25g/cm3，常温热导率0.05W/(m
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K)，2000℃下热导率小于1W/(m
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K)，杨氏模量100
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250MPa，压缩强度0.10
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10MPa。5.根据权利要求1所述的隔热瓦，其特征在于，外面板(2)的结构形式为层合板或夹层结构，层合板的材料是树脂、陶瓷、金属、纤维增强复合材料、C/C复合材料中的一种，夹层结构是金属、陶瓷、碳/碳材料所制成的蜂窝夹层结构、泡沫夹层结构、波纹板夹层结构、点阵结构中的一种。6.根据权利要求1所述的隔热瓦，其特征在于，密封板(3)包裹所述隔热层(1)除底面外的其它所有面，与所述外面板(2)的连接方式是胶接(21)或共固化(22)。7.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：程小全，庄淇凯，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：