基于前躯体转化陶瓷的耐高温防隔热材料一体化结构及其制作方法和应用
技术领域
本发明涉及高性能飞行器热防护。更具体地，涉及一种基于前躯体转化陶瓷的耐高温防隔热材料一体化结构及其制作方法和应用。
背景技术
高超声速飞行器具有飞行速度高、突防能力强等特点，已经成为各军事强国重点发展的高
技术领域
。飞行器在大气层内高速飞行时，气动加热非常严酷，高达几MW/m2的热流密度和2000℃及其以上的表面温度对飞行器外表面的热防护系统提出了严峻挑战。热防护系统不仅需要耐受极端高温环境，而且需要具有良好的隔热性能和力学性能以保护装备内部设备安全。热防护系统的防热和隔热功能通常需要不同的材料来完成，这就涉及到不同材料之间的连接与集成问题，而且这个问题一直是高超声速飞行器设计需要重点解决的关键问题。中国专利(公开号：CN 109968757A)公开了一种耐烧蚀轻质防热隔热一体化复合材料及其制备方法。提供了一种耐烧蚀轻质防隔热一体化复合材料，该复合材料为夹心结构，中间层以短切纤维为增强体，以酚醛树脂为基体，空心微珠作为隔热填料，上下表面层采用纤维布预浸料贴合，三层共固化制备成型。由于该材料内部缺少连续纤维承载，所以其承载能力欠佳。另外这种材料表面和内部的温差极大，容易造成在服役过程中开裂而失去防隔热功能。
中国专利(公开号：CN 108517102A)公开了一种轻质防隔热复合材料及其制备方法。该发明针对短纤维/酚醛树脂基复合材料，引入轻质有机纤维和轻质填充粒子进行轻质化改性，制备的酚醛树脂基轻质防隔热复合材料适用防隔热制品的模压、等静压或铺层成型。同样该材料的承载性能欠佳，而且该材料的耐热与隔热功能皆依靠碳化后的酚醛树脂来实现，热导系数偏高，不能满足高效隔热功能。另外，酚醛在高温容易碳化分层，同时会不断氧化消耗，不利于飞行器气动外形的保持。
综上所述，现有防隔热材料的主要缺点如下所示：
(1)现有防隔热材料承载性能欠佳，不能满足高速度、大机动高性能飞行器性能需求；
(2)现有防隔热材料的大多是靠酚醛树脂在高温下的碳化来实现耐温和隔热，材料的导热系数较高，同时影响飞行器的气动效率；
(3)现有防隔热材料制备工艺复杂，难以工程化应用。
因此，现有防隔热材料性能不能满足高性能飞行器高承载、高防热、低热导率的综合性能需求。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种基于前躯体转化陶瓷(PDCs)的防隔热材料一体化结构。该结构可耐受极端高温环境，具有好的隔热性能以及力学性能，可很好的用于高性能飞行器中。
本发明的第二个目的在于提供一种基于前躯体转化陶瓷的耐高温防隔热材料一体化结构的制作方法。
本发明的第三个目的在于提供一种基于前躯体转化陶瓷的耐高温防隔热材料一体化结构的应用。
为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于前躯体转化陶瓷的耐高温防隔热材料一体化结构，包括用于防热和承力的外层、用于隔热的中间层，以及作为热沉结构的内层。
可以理解，该结构中的外层是指该结构与外界接触的层，内层是指该结构与内部环境接触的层。外层具有承力、耐高温的效果；中间层具有隔热的效果；内层具有热沉的效果。
进一步地，所述一体化结构还包括粘结层，所述粘结层位于所述外层和中间层之间、且所述粘结层位于所述中间层和内层之间。也即，在外层与中间层之间、中间层和内层之间均设置有粘结层。粘结层的作用为用来粘结外层与中间层、中间层和内层。
进一步地，所述粘结层的材质为PDCs粘结剂；优选地，所述PDCs粘结剂为聚碳硅烷、SiC晶须与Al粉按质量比1:2:0.2混合得到。本发明技术人员在研究中发现，采用该特定组成形成的PDCs粘结剂粘结效果更好，使得得到的结构及隔热、耐热及承重等性能的稳定性能够满足高性能飞行器应用的恶劣环境。
进一步地，所述一体化结构还包括连接所述外层、中间层、内层的若干连接件。
进一步地，所述连接件的材质与所述外层的材质相同。连接件与外层具有相同的材质可最大限度的保证结构的稳定性。
进一步地，所述连接件的材质为C/SiC陶瓷基复合材料。
进一步地，所述连接件为铆钉。
进一步地，该结构中连接件的设置可均匀分布，对连接件的个数不做具体要求。例如各连接件间的距离为8-15mm。通过在外层、中间层、内层形成的结构坯体上打孔，该孔贯穿外层、中间层、内层，再通过连接件铆钉固定。孔的直径可为2-4mm，孔间距8-15mm，采用的C/SiC陶瓷基复合材料铆钉4将各层材料铆接一起。
进一步地，所述外层的材质为陶瓷基复合材料。
进一步地，所述外层的材质为C/SiC陶瓷基复合材料。
进一步地，所述中间层的材质为SiO2气凝胶。
进一步地，所述内层为铝制平板。
为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于前躯体转化陶瓷的耐高温防隔热材料一体化结构的制作方法，包括如下步骤：
在所述外层或内层结构上涂覆粘结层；
在所述粘结层上施加中间层结构；
在所述中间层结构上涂覆粘结层；
在形成于所述中间层结构上的粘结层上施加所述内层或外层；
在形成的结构上施加连接所述外层、中间层和内层的若干连接件；
将形成的结构高温处理，得所述防隔热材料一体化结构。
其中，本领域技术人员应当理解，上述制作方法中，当在外层涂覆粘结层时，相应的后续时在形成于所述中间层结构上的粘结层上施加所述内层；当在内层涂覆粘结层时，相应的后续时在形成于所述中间层结构上的粘结层上施加所述外层。
进一步地，所述制作方法中，外层、中间层、内层在使用前先进行清洗，再除去表面粉尘或其他附着物，然后干燥再使用。
进一步地，所述施加的方式为按压。
进一步地，所述高温处理的温度为200℃，时间为3小时。该高温处理条件使得得到的一体化结构的结构及防热、隔热性能、力学性能等更稳定。
为达到上述第三个目的，本发明采用下述技术方案：
如上所述的防隔热材料一体化结构在制备高性能飞行器中的应用。该一体化结构可作为高性能飞行器防隔热材料使用。
其中，高性能飞行器包括但不限于为高超声速飞行器。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的防隔热材料一体化结构具有承力-防热-隔热-热沉等性能，其隔热性能优良，可满足C/SiC复合材料表面1分钟1100℃温升条件下，铝制板材表面温升小于100℃。
本发明制备的防隔热材料一体化结构的结构稳定，抗冲击性能突出。可以满足160dB噪声试验，通过100G加速度下的振动试验考核。
附图说明
下面结合附图对本发明的
具体实施方式
作进一步详细的说明。
图1示出本发明中的基于前躯体转化陶瓷的耐高温防隔热材料一体化结构的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的一个实施方式提供一种基于前躯体转化陶瓷(PDCs)的防隔热材料一体化结构，其结构示意图如图1所示，其包括用于防热和承力的外层1、用于隔热的中间层2、作为热沉结构的内层3、分别位于所述外层1和中间层2之间，以及中间层2与内层3之间的粘结层5，此外，还一体化结构中还包含连接所述外层1、中间层2、内层3以及粘结层5的连接件4。
示例性的，外层1的材质为陶瓷基复合材料，优选为C/SiC陶瓷基复合材料。
示例性的，中间层2的材质为SiO2气凝胶。
示例性的，内层3为铝制平板。
示例性的，粘结层5的材质为PDCs粘结剂；优选地，所述PDCs粘结剂为聚碳硅烷、SiC晶须与Al粉按质量比1:2:0.2混合得到。
示例性的，连接件4的材质与所述外层1的材质相同。连接件与外层具有相同的材质可最大限度的保证结构的稳定性。
示例性的，所述连接件4的材质为C/SiC陶瓷基复合材料。
示例性的，所述连接件4为铆钉。
进一步地，该结构中连接件4的设置可均匀分布，对连接件4的个数不做具体要求。例如各连接件4间的距离为8-15mm。通过在外层1、中间层2、内层3形成的结构坯体上打孔，该孔贯穿外层1、中间层2、内层3，再通过连接件4铆钉固定。孔的直径可为2-4mm，孔间距8-15mm，采用的C/SiC陶瓷基复合材料铆钉将各层材料铆接一起。
本发明的又一个实施方式提供一种基于前躯体转化陶瓷(PDCs)的防隔热材料一体化结构的制作方法：
在所述外层1或内层3结构上涂覆粘结层5；
在所述粘结5上施加中间层2结构；
在所述中间层2结构上涂覆粘结层5；
在形成于所述中间层2结构上的粘结层5上施加所述内层3或外层1；
在形成的结构上施加连接所述外层1、中间层2和内层3的若干连接件4；
将形成的结构高温处理，得所述防隔热材料一体化结构。
示例性的，所述制作方法中，外层1、中间层2、内层3在使用前先进行清洗，再除去表面粉尘或其他附着物，然后干燥再使用。
进一步地，所述施加的方式为按压。
进一步地，所述高温处理的温度为200℃，时间为3小时。
以下结合一些具体实施例对本发明的技术方案进行说明：
实施例1
将3mm厚C/SiC平板、5mm厚SiO2气凝胶和2mm厚铝制平板清洗、干燥；
按照聚碳硅烷:SiC晶须:Al粉＝1:2:0.2(重量)比例混合均匀，制备PDCs粘接剂；
将C/SiC平板和SiO2气凝胶之间，以及SiO2气凝胶和铝制平板之间刷涂所制备的PDCs粘接剂，按压、固定形成防隔热毛坯材料；
将防隔热毛坯材料上打孔，孔直径3.5mm，孔间距10mm，采用φ3.500 +0.05的C/SiC铆钉将各层材料铆接一起；
将铆接后的防隔热毛坯材料放置于烘箱中，200℃高温处理3小时，完成本发明防隔热材料一体化结构制备。
本实施例得到的防隔热材料一体化结构的C/SiC复合材料表面1分钟1100℃温升条件下，铝制板材表面温升小于70℃。满足160dB噪声试验，通过100G加速度下的振动试验考核。
实施例2
将5mm厚C/SiC平板、10mm厚SiO2气凝胶和2mm厚铝制平板清洗、干燥；
按照聚碳硅烷:SiC晶须:Al粉＝1:2:0.2(重量)比例混合均匀，制备PDCs粘接剂；
将C/SiC平板和SiO2气凝胶之间，以及SiO2气凝胶和铝制平板之间刷涂所制备的PDCs粘接剂，按压、固定形成防隔热毛坯材料；
将防隔热毛坯材料上打孔，孔直径3 mm，孔间距12 mm，采用φ3.00 +0.05的C/SiC铆钉将各层材料铆接一起；
将铆接后的防隔热毛坯材料放置于烘箱中，200℃高温处理3小时，完成本发明防隔热材料一体化结构制备。
本实施例得到的防隔热材料一体化结构的C/SiC复合材料表面1分钟1100℃温升条件下，铝制板材表面温升小于60℃。满足160dB噪声试验，通过100 G加速度下的振动试验考核。
实施例3
将5mm厚C/SiC平板、10mm厚SiO2气凝胶和5mm厚铝制平板清洗、干燥；
按照聚碳硅烷:SiC晶须:Al粉＝1:2:0.2(重量)比例混合均匀，制备PDCs粘接剂；将C/SiC平板和SiO2气凝胶之间，以及SiO2气凝胶和铝制平板之间刷涂所制备的PDCs粘接剂，按压、固定形成防隔热毛坯材料；
将防隔热毛坯材料上打孔，孔直径2.5 mm，孔间距15mm，采用φ2.500 +0.05的C/SiC铆钉将各层材料铆接一起；
将铆接后的防隔热毛坯材料放置于烘箱中，200℃高温处理3小时，完成本发明防隔热材料一体化结构制备。
本实施例得到的防隔热材料一体化结构的C/SiC复合材料表面1分钟1100℃温升条件下，铝制板材表面温升小于55℃。满足160dB噪声试验，通过100 G加速度下的振动试验考核。
对比例1
重复实施例1，区别在于，将所述PDCs粘结剂换成聚碳硅烷、SiC晶须与Al粉按质量比1:2.5:0.2混合得到，其余条件不变，制备得到防隔热材料一体化结构。
该结构的性能为：C/SiC复合材料表面1分钟1100℃温升条件下，铝制板材表面温升小于70℃。满足160dB噪声试验，无法通过100 G加速度下的振动试验考核，结构在此条件下产生明显裂纹。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
