一种轻质高抗压隔热型热防护结构及其制备方法与流程

本发明涉及复材制品，特别涉及一种热防护砖及其制备方法。

背景技术：

1、热防护结构设计是实现与推进高超声速飞行器发展的关键技术之一。随着高超声速飞行器对飞行时长要求的不断提高，长时间、大热流的气动热环境给高超声速飞行器热防护结构设计带来了新的挑战。

2、传统飞行器的承力和热防护结构分别设计，这种结构形式质量大，不同材料间需进行热密封处理，且因热膨胀系数差异存在相分离的风险。

3、在航天飞机的整个设计制造过程中，科研人员对热防护系统做了大量的设计工作。科研人员将不同材质的热防护结构设计为可以铺设的隔热砖式方案，使用时将它们铺设到航天飞机的表面。这种方式能够满足制造的方便性，但隔热瓷砖的特点造成了其外表易碎、易损坏的使用特点，其只能承受很小的载荷。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种轻质高抗压隔热型热防护结构及其制备方法，其结构承载好、质量轻、隔热效果优异，结构简单，通过采用梯度隔热材料，有效降低了整体结构质量，同时样件能够耐受800℃高温热考核，结构中的si3n4陶瓷圆柱，能够承受更高的压力载荷。

2、本发明的目的是这样实现的：一种轻质高抗压隔热型热防护结构，包括：

3、气凝胶隔热板，包括方形盒体，所述盒体的四个角以及中心设有凸台，所述凸台上开设有圆孔；

4、混合粉末，包括气凝胶粉末及sic粉末，填充在气凝胶隔热板凸台与盒体之间形成的腔体内；

5、陶瓷圆柱，填装在所述凸台的圆孔内；

6、碳纤维增强树脂基复合板，粘接在气凝胶隔热板上，用以密封气凝胶隔热板的腔体。

7、进一步的，所述气凝胶隔热板采用氧化硅气凝胶复合硅酸铝隔热棉。

8、进一步的，所述气凝胶粉末选用sio2气凝胶粉末。

9、进一步的，所述陶瓷圆柱采用si3n4陶瓷圆柱。

10、一种轻质高抗压隔热型热防护结构的制备方法，包括以下步骤：

11、步骤1）制作气凝胶隔热板，原料选用氧化硅气凝胶复合硅酸铝隔热棉，采用雕刻机及线切割工艺加工成型后备用；

12、步骤2）填充混合粉末，将sio2气凝胶粉末及sic粉末充分混合后备用；

13、步骤3）制作碳纤维增强树脂基复合板，以碳纤维和树脂为原料，制备碳纤维预浸料，通过铺贴、热压罐固化成型、切割后备用；

14、步骤4）制作si3n4陶瓷圆柱，采用平面磨床进行加工后备用；

15、步骤5）样件组合，首先在气凝胶隔热板内部填充足够质量的气凝胶混合粉末，后沿气凝胶隔热板周边涂抹一圈密封胶，将碳纤维增强树脂基复合板粘接到气凝胶隔热板上方，并使用重物轻压，进烘箱固化，固化结束后，自然降温；

16、步骤6）安装si3n4陶瓷圆柱，将si3n4陶瓷柱带胶填充于样件上开孔位置，样件上下表面使用平板压制，贴脱模布，进烘箱固化，固化结束后，自然降温，样件取出后，清理样件表面溢胶，得到轻质高抗压隔热型热防护结构。

17、进一步的，步骤2）中sio2气凝胶粉末与sic粉末质量比100：20。

18、进一步的，步骤3）具体包括：以碳纤维和树脂为原料，制备碳纤维预浸料，预浸料制备完成后应覆膜、收卷储存；按照下料图尺寸进行下料，并铺贴于模具表面，铺层结束后在料片上铺贴扒皮布、隔离膜、透气毡、高温真空袋膜，打真空袋抽紧压实，进热压罐进行固化成型；固化制度：100℃保温3h，185℃保温1h，250℃保温2h,升温速率为1℃/min，当温度达到100℃时开始加压，压升速率为0.02mpa/min,固化最终压力为0.8mpa；保温结束后，以1.5℃/min降温速率进行降温；固化完成后的蒙皮底板进行脱模，并按照要求切割成设计数模尺寸，根据图纸要求进行开孔操作。

19、进一步的，步骤5）和步骤6）的固化制度为：80℃保温6h。

20、该热防护结构包括：

21、特征1，气凝胶隔热板，四周及中心设置凸台，凸台中心开孔，便于后期装配陶瓷圆柱；

22、特征2，混合粉末：sio2气凝胶粉末及sic粉末；

23、特征3，碳纤维增强树脂基复合板；

24、特征4，si3n4陶瓷圆柱；

25、复合型气凝胶隔热板为中空型设计，四个角及中心设置凸台，凸台中心开孔，开孔处连接si3n4陶瓷圆柱；隔热板内部填充气凝胶粉末，底部使用碳纤维增强树脂基复合板密封；各结构之间使用无机高温密封胶粘剂进行连接。

26、该结构中的气凝胶隔热板选用的复合型气凝胶，是一种具有超低热导率的新一代耐火保温材料，可以长期工作于900℃的工况下，它不仅具备优于传统气凝胶材料的超低热导率，并且还兼具轻量化、高强度、可加工性、防水性等多重优点，此外，本结构中的复合型气凝胶隔热板为中空型设计，更好的降低了整体样件的质量；隔热板内部填充的气凝胶粉末仅有3mg/cm3，仅比空气重三倍，可降低样件的密度，达到轻量化的效果；同时该气凝胶粉末具有比空气更低的导热系数，是一种理想的保温、隔热材料；样件连接用si3n4陶瓷圆柱具有高硬度、高强度2500mpa、耐高温1200℃、散热性好、抗热震性好、密度低等优点；采用以上材料进行热防护结构系统的组合装配，能够很好的解决传统热防护结构形式质量大、承载能力小的问题。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

28、第一，与现有金属基盖板式热防护结构相比，本发明的外部框架采用复合型气凝胶隔热板，内部掏空，更好的降低了整体结构的质量。

29、第二，与现有刚性陶瓷隔热瓦相比，本发明通过内部填充质量更轻、导热系数更低的气凝胶粉末，降低了结构样件的质量，同时实现了整体结构样件低导热系数的技术指标。

30、第三，与内部填充纯气凝胶粉末相比，本发明通过参杂一定质量的遮光剂（sic粉末），更好的起到了屏蔽红外辐射的效果，是样件具有更优异的耐温及隔热性能的关键。

31、第四，与现有热防护三明治结构使用耐高温纤维线缝合连接相比，本发明使用si3n4陶瓷柱和无机高温密封胶粘剂进行连接，保证了样件一致性的同时，更好的阻断了热量的传导。同时si3n4陶瓷柱抗压强度2500mpa，使得整体结构样件能够承受更高的压缩强度而不破坏。

技术特征：

1.一种轻质高抗压隔热型热防护结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种轻质高抗压隔热型热防护结构，其特征在于，所述气凝胶隔热板（100）采用氧化硅气凝胶复合硅酸铝隔热棉。

3.根据权利要求1或2所述的一种轻质高抗压隔热型热防护结构，其特征在于，所述气凝胶粉末选用sio2气凝胶粉末。

4.根据权利要求1或2所述的一种轻质高抗压隔热型热防护结构，其特征在于，所述陶瓷圆柱（300）采用si3n4陶瓷圆柱（300）。

5.一种如权利要求1-4中任一项所述的轻质高抗压隔热型热防护结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中sio2气凝胶粉末与sic粉末质量比100：20。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，步骤3）具体包括：以碳纤维和树脂为原料，制备碳纤维预浸料，预浸料制备完成后应覆膜、收卷储存；按照下料图尺寸进行下料，并铺贴于模具表面，铺层结束后在料片上铺贴扒皮布、隔离膜、透气毡、高温真空袋膜，打真空袋抽紧压实，进热压罐进行固化成型；固化制度：100℃保温3h，185℃保温1h，250℃保温2h,升温速率为1℃/min，当温度达到100℃时开始加压，压升速率为0.02mpa/min,固化最终压力为0.8mpa；保温结束后，以1.5℃/min降温速率进行降温；固化完成后的蒙皮底板进行脱模，并按照要求切割成设计数模尺寸，根据图纸要求进行开孔操作。

8.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，步骤5）和步骤6）的固化制度为：80℃保温6h。

技术总结本发明公开了复材制品技术领域内的一种轻质高抗压隔热型热防护结构，包括：气凝胶隔热板，包括方形盒体，盒体的四个角以及中心设有凸台，凸台上开设有圆孔；混合粉末，包括气凝胶粉末及SiC粉末，填充在气凝胶隔热板凸台与盒体之间形成的腔体内；陶瓷圆柱，填装在凸台的圆孔内；碳纤维增强树脂基复合板，粘接在气凝胶隔热板上，用以密封气凝胶隔热板的腔体，本发明结构承载好、质量轻、隔热效果优异，结构简单，通过采用梯度隔热材料，有效降低了整体结构质量，同时样件能够耐受800℃高温热考核，结构中的Si<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;陶瓷圆柱，能够承受更高的压力载荷。技术研发人员：李俊,谢亚芳,张彬,汤伟,杨恒,王琦受保护的技术使用者：江苏新扬新材料股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/20