一种高发射率柔性纤维隔热材料及其制备方法与流程

本发明涉及防隔热材料领域，尤其是涉及一种高发射率柔性纤维隔热材料及其制备方法。

背景技术：

高超声速飞行器以高马赫数飞行时，气流会在飞行器外表面形成一个激波层，激波层内气体由于受到压缩而产生大量的热，当热量传递到机身表面时会导致机体温度急剧升高，在机身表面不同区域产生350-1650℃高温，而针对当前600-1000℃中等热流环境区域，其防热材料存在成本大、制备安装复杂、力学强度低、可重复使用性能差等问题，因此有必要制备了一种高效率、高稳定性、低成本防隔热材料保证飞行器的飞行安全。

专利cn104553104a公开了一种柔性隔热材料及其制备方法，将得到氧化铝纤维预制体和石墨箔通过粘接的方式连接，并经过压制、干燥后，得到柔性隔热材料。其层间作用力不够强，一旦遇到气流冲刷和热应力就容易导致出现分层，影响使用效果。专利cn201710233191公开了一种轻质柔性可重复使用防隔热一体化材料及其制备方法，将隔热性良好的气凝胶填充至纤维骨架中，形成复合结构，并在表面涂覆高发射率涂层。但由于气凝胶的粒径过小，使用过程中容易出现掉粉情况，且该材料最终密度为0.35-0.40g/cm³，辐射率仅为0.85，难以满足目前防隔热材料的轻量化，高发射率的要求。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高发射率柔性纤维隔热材料及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高发射率柔性纤维隔热材料，以絮状的芯层为填充物，外部由织物组成的上表面和下表面包覆，上表面涂敷有高发射率防热涂层，利用缝合线与内膜线将芯层与上表面和下表面缝合。

进一步地，所述的芯层采用絮状的石英纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维或碳化硅纤维中的一种或几种；上表面和下表面采用玻璃纤维织物、石英纤维织物、氧化铝纤维织物、铝硼硅酸盐纤维织物、碳化硅纤维织物或氧化锆纤维织物中的一种或几种；缝合线和内膜线采用石英纤维线、铝硼硅酸盐纤维线、氧化铝纤维线、碳化硅纤维线或氧化锆纤维线中的一种或几种。

进一步地，所述的高发射率防热涂层包括以下重量份组分：基础填料25-35份、粘连剂30-40份、发射剂10-20份、增强体8-15份，去离子水15-25份。

更进一步地，所述的基础填料包括二氧化硅粉末或氧化铝粉末；所述的粘连剂包括二氧化硅溶胶或氧化铝溶胶，所述的发射剂包括二硅化钼粉末、六硼化硅粉末、碳化硅粉末、二硅化钨粉末或硼化锆粉末中的一种或多种，所述的增强体为低熔点玻璃粉及碳化硅晶须。

优选地，所述的基础填料粒径为1.0-2.0μm；所述的二氧化硅溶胶的固含率在35-45％之间，其中的二氧化硅颗粒粒径为20-24nm，比表面积为130-150m²/g，例如牌号为ludoxas的硅溶胶；所述的氧化铝溶胶的固含率在30-50％之间，其中的氧化铝颗粒粒径为10-60nm，比表面积为120-200m²/g；所述的发射剂粒径为1.0-2.0μm；所述的低熔点玻璃粉粒径为8000目；所述的碳化硅晶须直径d＝5-15μm，长度l＝50-150μm。高比表面积的粉料具有更多的活性位点，使得在制备过程中与纤维织物表面结合更加紧密，低粒径的选择有助于各个粉料在制备过程中分散均匀。

一种高发射率柔性纤维隔热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)柔性纤维隔热材料的缝合：将下表面、芯层和上表面从下往上依次放置，将上表面向下包裹至下表面边缘2-3cm处，缝合线穿插于上表面、芯层和下表面之间并与内模线形成互锁，使材料表面形成网格状针脚图案，达到整体缝合固定的效果，得到柔性纤维隔热材料；

(2)高发射率防热涂层的制备：按重量份称取基础填料、粘连剂、发射剂、增强体和去离子水球磨均匀，即得到高发射率防热涂层；

(3)高发射率防热涂层的喷涂：先将柔性纤维隔热材料热处理，然后将高发射率防热涂层喷涂于柔性纤维隔热材料的上表面。

(4)将喷涂好高发射率防热涂层的柔性纤维隔热材料干燥后，即得到高发射率柔性纤维隔热材料。

进一步地，步骤(1)中所述的网格边长过短不仅会影响材料整体的柔性，而且会使成本提高，网格边长过长则无法克服枕头效应，因此网格边长定为2-3cm，所述缝合的相邻针脚间距过短会使缝合难度增大，针脚间距过长则会使整体结构过于松散，因此针脚间距定为0.5-0.8cm。

进一步地，步骤(2)中所述球磨的转速不宜过快，否则会导致溶剂挥发过度，将球磨罐炸开，因此球磨转速定为100-200r/min，时间为4-6h。

进一步地，步骤(3)中所述热处理的温度过高会使纤维出现析晶现象，使整体结构脆化，因此热处理温度定为300-400℃，时间为30-60min；所述喷涂的压力过低会使涂层无法渗透至内部，压力过高会使气流破坏纤维织物表面，影响整体质量，因此喷涂压力定为30-35psi，涂层喷涂量0.01-0.03g/cm²，涂层厚度0.08-0.12mm。。

进一步地，步骤(4)中所述干燥的过程为，置于室温下自然干燥一天，然后置于60-80℃中干燥1-5h。

材料密度不高于0.30g/cm³，具有优良的柔韧性，整体平整度高，制备过程中其厚度变化不超过±0.07cm，室温热导率可保持在0.03-0.04w/m·k，表面涂层全波长垂直发射率大于0.98，材料在600-1000℃热流环境中具有高可靠性和稳定性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)以耐温性能好、热导率低的絮状陶瓷纤维作为芯层填充在减轻材料重量的同时增强隔热性，表面包覆陶瓷纤维织物利于材料成型且增强了一体性；

(2)以陶瓷纤维线一体缝合使材料具有更好的保型能力和抗冲击性能；

(3)材料表面涂敷高发射率防热涂层在提高材料表面致密度和平滑度同时也增强了表面热量辐射能力，有利于阻隔热量的透过和辐射自身热量；

(4)制备工艺简单、使用效率高、弯折性好可用于一些复杂曲率区域防热，相较于同类隔热材料有成本优势。

附图说明

图1为实施例1-4中高发射率柔性纤维隔热材料宏观示意图；

图2为实施例1-4中高发射率柔性纤维隔热材料缝合工艺图；

图3为实施例1-4中高发射率柔性纤维隔热材料分别经过1、5、10、20个热处理周期后的实物图(热处理30min后冷却至室温为一个周期)；

图中标号所示：芯层1、上表面2、下表面3、缝合线4、内膜线5。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种高发射率柔性纤维隔热材料，如图1-2所示，以絮状的芯层1为填充物，外部由织物组成的上表面2和下表面3包覆，上表面2涂敷有高发射率防热涂层，利用缝合线4与内膜线5将芯层1与上表面2和下表面3缝合。

芯层1采用絮状的石英纤维；上表面2和下表面3采用石英纤维织物；缝合线4和内膜线5采用石英纤维线。

高发射率防热涂层包括以下重量份组分：基础填料28份、粘连剂32份、发射剂10份、增强体8份，去离子水22份。

基础填料为二氧化硅粉末，粒径为1.0-2.0μm；粘连剂为牌号为ludoxas的二氧化硅溶胶，其固含率在35-45％之间，二氧化硅颗粒粒径为20-24nm，比表面积为130-150m²/g，发射剂为二硅化钼粉末，粒径为1.0-2.0μm，增强体为低熔点玻璃粉，粒径为8000目，以及碳化硅晶须，晶须直径d＝5-15μm，晶须长度l＝50-150μm。

其制备方法，包括以下步骤：

(1)柔性纤维隔热材料的缝合：将下表面3、芯层1和上表面2从下往上依次放置，将上表面2向下包裹至下表面3边缘2-3cm处，缝合线4穿插于上表面2、芯层1和下表面3之间并与内模线5形成互锁，使材料表面形成网格状针脚图案，达到整体缝合固定的效果，得到柔性纤维隔热材料；网格边长为2.5cm，缝合的相邻针脚间距为0.6cm。

(2)高发射率防热涂层的制备：按重量份称取基础填料、粘连剂、发射剂、增强体和去离子水球磨均匀，即得到高发射率防热涂层；球磨的转速为150r/min，时间为5h。

(3)高发射率防热涂层的喷涂：先将柔性纤维隔热材料在400℃下热处理30min，以除去纤维表面的有机物，然后将高发射率防热涂层喷涂于柔性纤维隔热材料的上表面。喷涂的压力为35psi，涂层喷涂量0.02g/cm²，涂层厚度0.10mm。

(4)将喷涂好高发射率防热涂层的柔性纤维隔热材料置于室温下自然干燥一天，然后置于80℃干燥3h，即得到高发射率柔性纤维隔热材料。

材料密度为0.25g/cm³，其室温热导率可保持在0.033w/m·k，表面涂层全波长垂直发射率达0.987，如图3所示，材料样品在650℃马弗炉经过1个周期热处理后样品外观无明显变化，热导率基本不变；经石英灯静态热考核500s后，背面温升为80℃。

实施例2

一种高发射率柔性纤维隔热材料，如图1-2所示，以絮状的芯层1为填充物，外部由织物组成的上表面2和下表面3包覆，上表面2涂敷有高发射率防热涂层，利用缝合线4与内膜线5将芯层1与上表面2和下表面3缝合。

芯层1采用絮状的氧化铝纤维；上表面2和下表面3采用氧化铝纤维织物；缝合线4和内膜线5采用氧化铝纤维线。

高发射率防热涂层包括以下重量份组分：基础填料25份、粘连剂32份、发射剂13份、增强体11份，去离子水19份。

基础填料为二氧化硅粉末和氧化铝粉末，其质量比为23：7，粒径为1.0-2.0μm；粘连剂为牌号为ludoxas的二氧化硅溶胶，其固含率在35-45％之间，二氧化硅颗粒粒径为20-24nm，比表面积为130-150m²/g，发射剂为二硅化钼粉末，粒径为1.0-2.0μm，增强体为低熔点玻璃粉，粒径为8000目，以及碳化硅晶须，晶须直径d＝5-15μm，晶须长度l＝50-150μm。

其制备方法，包括以下步骤：

(1)柔性纤维隔热材料的缝合：将下表面3、芯层1和上表面2从下往上依次放置，将上表面2向下包裹至下表面3边缘2-3cm处，缝合线4穿插于上表面2、芯层1和下表面3之间并与内模线5形成互锁，使材料表面形成网格状针脚图案，达到整体缝合固定的效果，得到柔性纤维隔热材料；网格边长为2.5cm，缝合的相邻针脚间距为0.6cm。

(2)高发射率防热涂层的制备：按重量份称取基础填料、粘连剂、发射剂、增强体和去离子水球磨均匀，即得到高发射率防热涂层；球磨的转速为150r/min，时间为5h。

(3)高发射率防热涂层的喷涂：先将柔性纤维隔热材料在400℃下热处理30min，以除去纤维表面的有机物，然后将高发射率防热涂层喷涂于柔性纤维隔热材料的上表面。喷涂的压力为35psi，涂层喷涂量0.03g/cm²，涂层厚度0.12mm。

(4)将喷涂好高发射率防热涂层的柔性纤维隔热材料置于室温下自然干燥一天，然后置于80℃干燥3h，即得到高发射率柔性纤维隔热材料。

材料密度为0.30g/cm³，其室温热导率可保持在0.038w/m·k，表面涂层全波长垂直发射率达0.988，如图3所示，材料样品在1000℃马弗炉经过5个周期热处理后样品外观无明显变化，热导率基本不变；经石英灯静态热考核500s后，背面温升为81℃。

实施例3

一种高发射率柔性纤维隔热材料，如图1-2所示，以絮状的芯层1为填充物，外部由织物组成的上表面2和下表面3包覆，上表面2涂敷有高发射率防热涂层，利用缝合线4与内膜线5将芯层1与上表面2和下表面3缝合。

芯层1采用絮状的莫来石纤维；上表面2和下表面3采用玻璃纤维织物；缝合线4和内膜线5采用铝硼硅酸盐纤维线。

高发射率防热涂层包括以下重量份组分：基础填料25份、粘连剂30份、发射剂10份、增强体8份，去离子水25份。

基础填料为二氧化硅粉末，粒径为1.0-2.0μm；粘连剂为牌号为ludoxas的二氧化硅溶胶，其固含率在35-45％之间，二氧化硅颗粒粒径为20-24nm，比表面积为130-150m²/g，发射剂为六硼化硅粉末，粒径为1.0-2.0μm，增强体为低熔点玻璃粉，粒径为8000目，以及碳化硅晶须，晶须直径d＝5-15μm，晶须长度l＝50-150μm。

其制备方法，包括以下步骤：

(1)柔性纤维隔热材料的缝合：将下表面3、芯层1和上表面2从下往上依次放置，将上表面2向下包裹至下表面3边缘2-3cm处，缝合线4穿插于上表面2、芯层1和下表面3之间并与内模线5形成互锁，使材料表面形成网格状针脚图案，达到整体缝合固定的效果，得到柔性纤维隔热材料；网格边长为2cm，缝合的相邻针脚间距为0.5cm。

(2)高发射率防热涂层的制备：按重量份称取基础填料、粘连剂、发射剂、增强体和去离子水球磨均匀，即得到高发射率防热涂层；球磨的转速为100r/min，时间为6h。

(3)高发射率防热涂层的喷涂：先将柔性纤维隔热材料在300℃下热处理60min，以除去纤维表面的有机物，然后将高发射率防热涂层喷涂于柔性纤维隔热材料的上表面。喷涂的压力为30psi，涂层喷涂量0.01g/cm²，涂层厚度0.08mm。

(4)将喷涂好高发射率防热涂层的柔性纤维隔热材料置于室温下自然干燥一天，然后置于60℃干燥5h，即得到高发射率柔性纤维隔热材料。

材料密度为0.26g/cm³，其室温热导率可保持在0.035w/m·k，表面涂层全波长垂直发射率达0.981，如图3所示，材料样品在600℃马弗炉经过10个周期热处理后样品外观无明显变化，热导率基本不变；经石英灯静态热考核500s后，背面温升为75℃。

实施例4

一种高发射率柔性纤维隔热材料，如图1-2所示，以絮状的芯层1为填充物，外部由织物组成的上表面2和下表面3包覆，上表面2涂敷有高发射率防热涂层，利用缝合线4与内膜线5将芯层1与上表面2和下表面3缝合。

芯层1采用絮状的碳化硅纤维；上表面2和下表面3采用铝硼硅酸盐纤维织物；缝合线4和内膜线5采用碳化硅纤维线。

高发射率防热涂层包括以下重量份组分：基础填料35份、粘连剂40份、发射剂20份、增强体15份，去离子水15份。

基础填料为二氧化硅粉末和氧化铝粉末，其质量比为23：7，粒径为1.0-2.0μm；粘连剂为牌号为ludoxas的二氧化硅溶胶，其固含率在35-45％之间，二氧化硅颗粒粒径为20-24nm，比表面积为130-150m²/g，发射剂为硼化锆粉末，粒径为1.0-2.0μm，增强体为低熔点玻璃粉，粒径为8000目，以及碳化硅晶须，晶须直径d＝5-15μm，晶须长度l＝50-150μm。

其制备方法，包括以下步骤：

(1)柔性纤维隔热材料的缝合：将下表面3、芯层1和上表面2从下往上依次放置，将上表面2向下包裹至下表面3边缘2-3cm处，缝合线4穿插于上表面2、芯层1和下表面3之间并与内模线5形成互锁，使材料表面形成网格状针脚图案，达到整体缝合固定的效果，得到柔性纤维隔热材料；网格边长为3cm，缝合的相邻针脚间距为0.8cm。

(2)高发射率防热涂层的制备：按重量份称取基础填料、粘连剂、发射剂、增强体和去离子水球磨均匀，即得到高发射率防热涂层；球磨的转速为200r/min，时间为4h。

(3)高发射率防热涂层的喷涂：先将柔性纤维隔热材料在350℃下热处理40min，以除去纤维表面的有机物，然后将高发射率防热涂层喷涂于柔性纤维隔热材料的上表面。喷涂的压力为32psi，涂层喷涂量0.015g/cm²，涂层厚度0.09mm。

(4)将喷涂好高发射率防热涂层的柔性纤维隔热材料置于室温下自然干燥一天，然后置于70℃干燥4h，即得到高发射率柔性纤维隔热材料。

材料密度为0.26g/cm³，其室温热导率可保持在0.038w/m·k，表面涂层全波长垂直发射率达0.989，如图3所示，材料样品在900℃马弗炉经过20个周期热处理后样品外观无明显变化，热导率基本不变；经石英灯静态热考核500s后，背面温升为85℃。

石英灯静态热考核结果汇总

模拟某弹道热环境对高发射率柔性纤维隔热材料进行静态加热考核，最高冷壁热流为496kw/m²、热壁热流为322kw/m²、总加热量1.49×10⁴kj/m²、总加热时间为500s，材料背部无金属板支撑，热电偶与材料背部直接接触。材料背面温升为75-85℃，展现出优异的防隔热性能。

以上实施例仅用于说明本发明技术方案，并非是对本发明的限制，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做的改变、替代、修饰、简化均为等效的变换，都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。