一种在碳化硅基复合材料表面原位生成二氧化硅气凝胶隔热层的装置及方法

本发明涉及先进制造，具体涉及一种在碳化硅基复合材料表面原位生成二氧化硅气凝胶隔热层的装置及方法。

背景技术：

1、气凝胶具有独特的纳米结构，在热学、声学、力学、光学等方面均有优良性质，具有保温隔热、隔音降噪、红外线吸收、催化等多种优异的性能，自其问世以来就被全球科学界广泛关注并吸引世界各国科学家倾力研究，并称其为“可以改变世界的多功能新材料”。

2、气凝胶及其复合材料在航空航天领域具有较大的应用前景。近年来，诸多学者在航空航天领域对气凝胶及其复合材料的研制及推广应用方面取得了丰硕的研究成果。如：美国“mkv-22”鱼鹰倾转旋翼机采用气凝胶材料研制了机舱隔热和红外系统；英国“美洲豹”战斗机使用气凝胶材料完成了驾驶舱、机舱隔热壁的改型。我国科研人员在“长征五号运载系统”中使用了气凝胶隔热毡，在“天舟一号”货运飞船中采用气凝胶隔热材料设计了一种低温锁柜，为空天探测任务提供有力支撑。

3、隔热罩是航天器上的重要部件之一，其作用是隔离高温环境，保护航天器不受热辐射和烧蚀。隔热罩一般由内、外两层构成，中间充填有隔热材料，以达到隔热的目的。当前，碳化硅陶瓷基复合材料由于其优异的力学性能和耐烧蚀性能而广泛应用于航天器隔热罩外层的制造，其中间则往往采用二氧化硅气凝胶材料填充作为隔热材料。然而，在当前的工艺中，气凝胶材料需要使用特殊粘合材料粘贴于外层材料内壁，粘贴工艺复杂且费时。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目在于提供一种在碳化硅基复合材料表面原位生成二氧化硅气凝胶隔热层的装置及方法。本发明提供的装置和方法能够实现激光诱导碳化硅基复合材料表面改性和在其表面原位直接生成二氧化硅气凝胶隔热层。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种在碳化硅基复合材料表面原位生成二氧化硅气凝胶隔热层的装置，包括气凝胶隔热层生成室4，所述气凝胶隔热层生成室4设有进气口3和出气口9，所述气凝胶隔热层生成室4的材质为高透玻璃；

4、与所述气凝胶隔热层生成室4的进气口3连通的氧气气源1；

5、设置于所述气凝胶隔热层生成室4内部的工作平台5，所述工作平台5用于固定待处理碳化硅基复合材料工件7；所述碳化硅基复合材料包括碳纤维增强碳化硅复合材料和/或碳化硅纤维增强碳化硅复合材料；

6、位于所述气凝胶隔热层生成室4外部的脉冲激光器6。

7、优选的，所述进气口3设置于所述气凝胶隔热层的一侧下端，所述出气口9设置于所述气凝胶隔热层的另一侧上端。

8、优选的，所述氧气气源1通过连接管道2与所述进气口3连通，所述连接管道2为橡胶软管。

9、优选的，所述脉冲激光器6为纳秒脉冲光纤激光器，所述脉冲激光器6的激光波长为1024nm。

10、优选的，所述脉冲激光器6的参数选用范围包括：

11、激光能量密度：6.54～8.72j/cm2；

12、脉冲频率：70khz；

13、扫描路径间距：5～15μm；

14、扫描速度：150～300mm/s。

15、本发明提供了基于上述装置在碳化硅基复合材料表面原位生成二氧化硅气凝胶隔热层的方法，包括以下步骤：

16、将待处理碳化硅基复合材料工件7固定于工作平台5，开启氧气气源1，使氧气充满气凝胶隔热层生成室4；

17、打开脉冲激光器6，使脉冲激光束透过气凝胶隔热层生成室4聚焦于所述待处理碳化硅基复合材料工件7表面，进行激光处理，在碳化硅基复合材料工件7表面表面得到二氧化硅气凝胶隔热层8。

18、优选的，所述氧气气源1出口处的压力为0.5mpa。

19、优选的，所述激光处理的参数包括：

20、激光能量密度：6.54～8.72j/cm2；

21、脉冲频率：70khz；

22、扫描路径间距：5～15μm；

23、扫描速度：150～300mm/s。

24、优选的，所述二氧化硅气凝胶隔热层的厚度为800～2400μm，孔隙率为87～94％。

25、所述二氧化硅气凝胶隔热层由包括粒径为20～30nm的二氧化硅纳米颗粒沉积而成。

26、本发明提供了一种在碳化硅基复合材料表面原位生成二氧化硅气凝胶隔热层的装置，包括气凝胶隔热层生成室4，所述气凝胶隔热层生成室4设有进气口3和出气口9，所述气凝胶隔热层生成室4的材质为高透玻璃；与所述气凝胶隔热层生成室4的进气口3连通的氧气气源1；设置于所述气凝胶隔热层生成室4内部的工作平台5，所述工作平台5用于固定待处理碳化硅基复合材料工件7；位于所述气凝胶隔热层生成室4外部的脉冲激光器6。在本发明中，在激光的作用下，碳化硅基复合材料表面的碳化硅和碳纤维(或碳化硅纤维)产生剧烈温升，最高可达到2800℃以上，随即发生汽化，并以气态的形式与氧气发生反应，形成极其细小的二氧化硅纳米颗粒和二氧化碳等产物。二氧化碳等气态产物随通入的氧气逸出，而二氧化硅纳米颗粒会沉积在复合材料工件表面原位，并最终形成厚度为800～1200μm的疏松多孔的二氧化硅氧化层，且该氧化层由20～30nm的氧化物颗粒构成，且具有极高孔隙度，具有典型的气凝胶特征，这层氧化层即为二氧化硅气凝胶隔热层。

27、本发明提供的装置结构简单，易于操作，可以方便、快速地实现二氧化硅气凝胶隔热层在碳化硅基复合材料表面的原位生成，实现隔热罩内部隔热材料的高效填充。

28、此外，本发明提供了一种在碳化硅基复合材料表面原位生成二氧化硅气凝胶隔热层的方法，本发明提供的方法操作简单，可以方便、快速地实现二氧化硅气凝胶隔热层在碳化硅基复合材料表面的原位生成，实现隔热罩内部隔热材料的高效填充。

技术特征：

1.一种在碳化硅基复合材料表面原位生成二氧化硅气凝胶隔热层的装置，包括气凝胶隔热层生成室(4)，所述气凝胶隔热层生成室(4)设有进气口(3)和出气口(9)，所述气凝胶隔热层生成室(4)的材质为高透玻璃；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进气口(3)设置于所述气凝胶隔热层的一侧下端，所述出气口(9)设置于所述气凝胶隔热层的另一侧上端。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述氧气气源(1)通过连接管道(2)与所述进气口(3)连通，所述连接管道(2)为橡胶软管。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲激光器(6)为纳秒脉冲光纤激光器，所述脉冲激光器(6)的激光波长为1024nm。

5.根据权利要求1或4所述的装置，其特征在于，所述脉冲激光器6的参数选用范围包括：

6.基于权利要求1～5任意一项所述装置在碳化硅基复合材料表面原位生成二氧化硅气凝胶隔热层的方法，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氧气气源(1)出口处的压力为0.4～0.6mpa。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述激光处理的参数包括：

9.根据权利要求6或8所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶隔热层(8)的厚度为800～2400μm，孔隙率为87～94％；

技术总结
本发明提供了一种在碳化硅基复合材料表面原位生成二氧化硅气凝胶隔热层的装置及方法，属于先进制造技术领域。本发明装置包括气凝胶隔热层生成室(4)、氧气气源(1)、工作平台(5)、脉冲激光器(6)。在本发明中，在激光的作用下，碳化硅基复合材料表面的碳化硅和碳纤维(或碳化硅纤维)产生剧烈温升发生汽化，以气态的形式与氧气发生反应，形成极其细小的二氧化硅纳米颗粒和二氧化碳等产物。二氧化碳等气态产物随通入的氧气逸出，而二氧化硅纳米颗粒会沉积在复合材料工件表面原位，并最终形成厚度为800～2400μm的疏松多孔的二氧化硅氧化层，该氧化层由20～30nm的氧化物颗粒构成，具有极高孔隙度，具有典型的气凝胶特征。

技术研发人员：赵国龙,年智文,李亮,杨吟飞,郝秀清,陈妮,赵威,何宁
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/7