一种轻质高效隔热防护结构的制作方法

本发明涉及功能性复合材料，具体涉及一种轻质高效隔热防护结构。

背景技术：

1、伞舱，即飞机上用于装载回收伞或减速伞的舱段；在发动机辐射热量与气动加热的影响下，若伞舱温度过高，不仅会造成回收伞或减速伞本身织物难以承受，压油的炭化还会造成回收伞或减速伞无法正常释放，进而造成严重的安全事故。因此，在设计制造过程中，需要对伞舱进行有效的隔热防护，进而将伞舱内壁温度控制在材料特性允许的范围内，以提升回收伞或减速伞工作的可靠性和安全性。

2、现有隔热防护结构通常采用铝箔直接作为反射层，其存在以下问题：一是铝箔的发射率会随着温度的升高而增加、进而导致反射能力降低；二是现有隔热防护结构为非完全密封结构，在使用过程中，存在大气、液体等进入隔热防护结构内部、侵蚀反射层的可能性，极易导致隔热效果降低。同时，现有隔热防护结构会通常采用金属层作为复合结构的保护层，但直接采用光滑的金属结构作为保护层，当隔热产品面积较大时，隔热防护结构整体强度低、易变形，且金属结构的厚度大、面密度大、重量大，在使用过程中易出现破裂、褶皱等问题，直接影响其防护性能与隔热性能；此外，采用金属结构与隔热材料结合时，为保证整体结构的稳定性，金属结构通常会与隔热材料紧密贴合，这样极易在金属结构上形成热传导、产生热量聚集，直接影响隔热材料的隔热效果。

技术实现思路

1、针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种轻质高效隔热防护结构，该隔热防护结构能够有效解决现有防护结构高温隔热效果差，耐湿热、耐盐雾、耐振动性能差，厚度大、面密度大、重量大，易出现破裂、变形等问题，具有轻质、高效隔热、长效稳定防护等特点。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种轻质高效隔热防护结构，包括热面保护层、隔热层与冷面保护层，隔热层由热阻层与反射层交替层叠而成，热阻层的数量为n、反射层的数量为n+1，n不小于1（即靠近热面保护层、冷面保护层的均为反射层）；反射层为采用a面聚酰亚胺薄膜、镀铝层、b面聚酰亚胺薄膜形成的夹层结构，且b面聚酰亚胺薄膜靠近热面保护层、a面聚酰亚胺薄膜靠近冷面保护层。

4、由于反射层与热阻层之间膨胀系数存在差异、致使反射层与热阻层之间易产生应力集中，从而导致层间开裂，并逐渐形成向外扩展，使得隔热防护结构失效、导热系数升高、降低其热防护能力；本技术通过特定热阻层与反射层的叠层配合，有效提高层间剪切性能，在热冲击的过程中，能够抑制分层损伤的扩展，从而杜绝层间开裂、保证隔热防护结构的整形性。同时，通过a面聚酰亚胺薄膜、镀铝层、b面聚酰亚胺薄膜形成的夹层设计，利用具有低面密度、优异的热稳定性、阻燃性和机械性能的聚酰亚胺薄膜对铝层进行保护，避免铝箔的发射率会随着温度的升高而增加以及外界侵蚀对铝层的影响，进而提高反射层的耐湿热、耐盐雾等环境适应性。此外，利用高反射率、低粗糙度的铝层作为夹层结构的中间层，一是无需胶粘剂、利用铝层实现两层聚酰亚胺薄膜的结合，提升反射层的整体性；二是形成绝热梯度，即内层为热反射率高、导热系数较高的铝层，包覆外层为导热系数低的聚酰亚胺薄膜，通过层间反射与阻隔、实现热辐射与热传递的有效衰减，进而提高整个反射层的隔热性能。

5、基于上述方案的进一步优化，所述热面保护层与冷面保护层均采用金属压花钛箔结构，即在平整钛箔结构的表面设置呈阵列分布的凸起，热面保护层的凸起朝向远离隔热层的一侧凸出、冷面保护层的凸起朝向靠近隔热层的一侧凸出。

6、基于上述方案的进一步优化，所述热面保护层、冷面保护层的凸起形状采用米粒状、珍珠状、水滴状中的任一种。

7、基于上述方案的进一步优化，所述热面保护层与冷面保护层的厚度均为0.03～0.1mm；凸起的直径为1～2.5mm、高度为0.4～1.0mm；相邻两个凸起之间的距离为4～8mm；保护层（即热面保护层或冷面保护层）中单位面积的凸起的个数为1.5x104～6x104个。

8、通过凸起的设置，一是利用凸起压制过程中形成的产生的应变硬化效应，提升热面保护层与冷面保护层的刚度，进而提升防护结构的整体刚度，实现对内部隔热层的保护；二是通过均匀分布凹凸不平的凸起、减少保护层成型过程中形成的皱褶，进而减少失效的薄弱点、避免保护层出现破损，提高防护结构整体耐液体浸渗能力；三是通过热面保护层向外的凸起，将防护结构表面的反射面由镜面反射转换为点阵式的漫反射，扩大热量的反射面积、提升反射效率；四是利用热面保护层的凸起与隔热层之间形成空腔矩阵，从而改变层间流场、形成微气隙，有效阻隔热传导，提升隔热效果；五是通过冷面保护层的凸起，将冷面保护层与隔热层之间的接触由面接触转换为点接触，减少热传导面积、避免温度聚集点的形成，实现阻隔后剩余热量的均匀、快速逸散。此外，通过冷面保护层与基体之间形成的空腔矩阵，通过层间流场的微气隙，进一步提升剩余热量的逸散速率，提升隔热效果。

9、基于上述方案的进一步优化，所述热阻层的厚度为0.5～5mm；热阻层采用玄武岩纤维增强二氧化硅气凝胶毡，其中，玄武岩纤维的直径不大于6μm，玄武岩纤维与二氧化硅气凝胶的质量比为1：0.78～1，玄武岩纤维增强二氧化硅气凝胶毡常温下的导热系数为0.017～0.020w/（m•k）。

10、采用直径细小的玄武岩纤维作为纳米多孔的二氧化硅气凝胶的增强纤维，能够有效限制纤维本身的固体热传导，使玄武岩纤维毡本身具有较低的导热系数；同时，采用短直径的玄武岩纤维形成低体密度预制体，在保证纤维增强气凝胶复合材料力学性能的同时进一步降低其体密度，且纤维预制体的直径与近红外辐波长接近，进而让对近红外辐射线产生强力的衍射与散射作用，从而进一步提升高温红外辐射热传导阻隔作用；此外，通过玄武岩纤维的添加，能够有效解决纯的气凝胶脆性大、易断韧等问题。

11、基于上述方案的进一步优化，所述玄武岩纤维增强二氧化硅气凝胶毡的体积密度为150～170kg/m3，玄武岩纤维形成的预制体的体密度为80～90kg/m3，二氧化硅气凝胶体密度为70～80kg/m3。

12、基于上述方案的进一步优化，所述a面聚酰亚胺薄膜的厚度为20～30μm，镀铝层的厚度为100～200nm，b面聚酰亚胺薄膜的厚度为4～6μm。

13、以下是本发明技术方案所具备的效果：

14、本技术通过热面保护层、冷面保护层以及层叠交错的反射层-…-热阻层-…-反射层的结构设计，利用热面保护层与冷面保护层对反射层-…-热阻层-…-反射层形成的隔热层进行保护，有效避免外部大气、液体等渗入，从而对具有纳米多孔的二氧化硅气凝胶的热阻层的隔热性能产生影响，确保防护结构隔热性能的长期稳定性与有效性；且通过热面保护层与冷面保护层的结合、实现防护外壳结构一体化，从而提升隔热防护结构的整体性、连接可靠性以及其整体的耐浸渗、耐腐蚀能力等。同时，利用聚酰亚胺薄膜与铝层形成的夹层结构，实现双重保护，避免厚度较薄的反射铝层受到渗漏液体、气体等影响而造成的反射率降低等问题。此外，通过热面保护层与冷面保护层的结构与隔热层进行配合，进一步提高防护结构整体的隔热性能，有效避免温度聚集点的形成，确保隔热的稳定性与长效性。本技术防护结构整体原理清晰、简单可靠、轻量化程度高，可用于多种领域特殊设备在120～350℃高温环境下的隔热防护，适用范围广。