刚性隔热材料的力学性能

采用纤维烧结法制备了刚性隔热材料,研究了材料密度、纤维取向、测试温度、与气凝胶复合等因素对材料力学强度的影响规律.结果表明:隔热材料力学强度随着密度的提高而增加;隔热材料平面方向拉伸和压缩强度均达到厚度方向的4倍以上;800和1 000℃下,材料的压缩强度保持率分别达到90%和50%;与气凝胶复合后隔热材料在拉伸强度维持不变的情况下,压缩强度增加35%以上.     

超高温刚性隔热材料的制备及性能

针对新型航天飞行器高温隔热(约1 500℃)的迫切需求,开展了超高温刚性隔热材料的制备和性能研究。采用陶瓷纤维和无机粘结剂,经过湿法抽滤成型、高温热处理等工艺制备了刚性隔热材料。对材料的微观结构、热物理和力学性能进行了表征、测试。结果表明:纤维有效粘结在一起;通过改变纤维和粘结剂的比例,可以调节材料性能;热导率、力学性能与密度近似呈直线关系。材料在1 500℃经1 h处理后线收缩率<2%,密度为0.3～0.5 g/cm3,热导率为0.06～0.09 W/(m.K),压缩强度为0.6～1.2 MPa。     

纳米隔热材料的热导率变化规律

为认识和掌握纳米隔热材料的热导率变化规律,以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源、炭黑为遮光剂、石英纤维为增强体,采用溶胶-凝胶工艺结合超临界干燥技术制备了纳米隔热材料,并采用热导率测试仪、N_2吸附-脱附、SEM、激光粒度仪对材料进行了表征。测试结果表明:未添加炭黑的材料常压热导率随表观密度的变化以203 kg/m^3为分界点,分界点之前随表观密度的增大线性降低,分界点之后则随表观密度的增大线性升高,并且后一阶段较前一阶段变化快。孔隙率相同时,常压热导率随炭黑含量的增加先降低后稍有升高,极限真空热导率逐渐降低,而常压条件下的气相热导率增大。在半对数坐标系中,气相热导率随环境气压的下降而降低,并且依据降低速率可以划分为三个阶段,101.325～30 kPa之间下降最快,且变化值约为6 mW/(m·K);30～0.1 kPa之间下降较快,且变化值约为2 mW/(m·K);0.1～0.01 kPa之间下降最慢,且基本可以忽略不计。材料常压热导率最低值为16.62 mW/(m·K),添加5wt%的炭黑后可以进一步降低至14.50 mW/(m·K)。     

纤维型纳米隔热材料的研制

以纳米填料改性环氧树脂为基体,空心微珠和有机纤维为隔热填料,采用湿法缠绕工艺制备了纳米隔热材料。结果表明,F12型纳米隔热材料的隔热性能最佳,其热导率(20~150℃)为0.23~0.28W/(m·K),且随着温度的升高而增加。此外,隔热材料在150℃下加热100s后,背壁温度不超过50℃。     

轻质耐高温隔热材料及成型技术

针对型号更高的热环境要求,开展新型轻质耐高温隔热材料研究。采用耐高温酚醛树脂作为基体树脂,添加纤维、功能性填料,通过预混料片材进行低压固化成型,对所制备的隔热材料试片进行密度、热性能以及力学性能等的测试。结果表明:该材料体系密度为0.6~0.9 g/cm^3,初始分解温度大于450℃,拉伸强度大于12MPa,200℃拉伸强度大于10 MPa,热导率低于0.25 W/(m·K),并可根据实际应用需求,实现对材料各方面性能的调控。所制备的隔热材料试片通过某型号风洞考核验证,采用该材料体系制备的大尺寸异形结构舱体通过力热联合试验考核,满足总体设计要求。     

热防护系统高温纤维隔热毡传热及有效热导率分析

针对重复使用运载器热防护系统纤维隔热毡内部导热和辐射的耦合换热问题进行了分析,应用有限差分法建立了纤维隔热毡的数值分析模型.通过数值求解传热方程,计算了稳态的有效热导率.计算结果表明辐射和气体传导是纤维隔热毡内的主要传热方式,辐射作用随压力和试样密度的增加而降低,在试样温度高的一侧辐射是主要的传热方式,而在温度低的一侧气体传导为主要的传热方式;试样的有效热导率随纤维的平均直径、压力和温差的增加而增加,随试样密度的增加而降低.本文的计算结果与文献中的实验结果吻合较好,可以为纤维隔热毡及热防护系统的优化设计提供理论参考.     

PICA-X的制备及其炭化前后性能研究

采用不同浓度热塑性酚醛树脂溶液浸渍莫来石纤维毡,经过溶胶-凝胶反应和常压干燥后,制备出酚醛浸渍陶瓷烧蚀体(PICA-X,0.45~0.50 g/cm~3),后研究了其炭化前后微观形貌、力学、隔热及抗氧化性能。结果表明:PICA-X具有莫来石纤维增强酚醛气凝胶复合结构,其弯曲强度为26.7~34.0 MPa,热导率为36~40 m W/(m·K)。经过1 000℃炭化后,C-PICA-X的弯曲强度为13.9~14.5 MPa,热导率为41~45m W/(m·K);PICA-X炭化前后均表现出较好的抗氧化性能。     

隔热瓦/SiO2气凝胶复合材料的制备与性能

以莫来石纤维和玄武岩纤维为主要成分,以硅溶胶为黏接剂制备的隔热瓦作为增强体,真空浸渍SiO_2溶胶后经过凝胶、老化和超临界干燥工艺制备隔热瓦/SiO_2气凝胶复合材料,并对材料的微观结构、热稳定性和隔热性能进行了表征。结果表明:由于玄武岩纤维具有更细的直径和含有一定量的红外辐射抑制成分,随着隔热瓦中玄武岩纤维质量分数的增加,复合材料的室温热导率从63 mW/(m·K)降至47 mW/(m·K),在热面600℃持续15 min条件下的背面温度从200℃降至117℃,有效地提高了复合材料的隔热性能;但因玄武岩纤维的使用温度显著低于莫来石纤维,复合材料的高温线收缩率增大,热稳定性有所下降。     

莫来石纤维增强疏水SiO2气凝胶的制备

以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,三甲基氯硅烷(TMCS)为改性剂,经老化、表面疏水改性,常压干燥制备了莫来石纤维增强SiO2气凝胶隔热材料.用FT-IR、SEM、TG-DSC对其疏水特性及结构进行表征.结果表明:经常压干燥制备的莫来石纤维增强SiO2气凝胶隔热材料,微观上具有典型的气凝胶结构特征,宏观上保持其功能材料的完整性.     

空心石英纤维/酚醛树脂复合材料的结构与性能

将石英纤维空心化,并通过模压成型方法制备了空心纤维/酚醛树脂复合材料。结果表明,空心纤维的空腔直径为4～7μm,随着纤维空心度增大(0～0.5),纤维的力学强度提高。在相同的纤维体积分数下,当纤维空心度从0增大到0.5时,复合材料的密度和热导率分别从1.63 g/cm3和0.49 W/(m·K)降低到1.46 g/cm3和0.41 W/(m·K),烧蚀性能保持不变。采用此方法制备的空心纤维/酚醛复合材料同时具有良好的隔热、防热性能。     

轻质刚性纳米隔热材料的制备与性能

针对高马赫数飞行器局部位置对刚性隔热材料的迫切需求,开展了轻质刚性纳米孔隔热材料的制备和性能研究。通过纤维分散、模压成型和纳米颗粒复合技术,成功制备出力学性能优良的刚性纳米孔隔热材料。研究了材料组成与力学性能、隔热性能和微观结构的关系。结果表明,采用刚性骨架增强的纳米孔隔热材料是相同密度下纤维毡增强隔热材料压缩强度的两倍;温度越高,隔热材料的压缩强度变化就越大。     

淀粉对氧化铝基陶瓷型芯性能的影响

为了解决氧化铝基陶瓷型芯不易脱芯的难题,加入一定量的淀粉作为成孔剂。以白刚玉粉为基体材料、石蜡和蜂蜡为增塑剂、二氧化硅粉和氧化镁粉为矿化剂,采用热压注法制备氧化铝基陶瓷型芯;制备工艺参数如下：浆料温度为90℃、热压注压力为0.5 MPa、保压时间为25 s;研究不同淀粉加入量对氧化铝基陶瓷型芯性能的影响。结果表明：在烧结过程中,样品中淀粉的烧失,增大了氧化铝基陶瓷型芯内部的孔隙率;随着淀粉加入量的增加,氧化铝基陶瓷型芯的室温抗弯强度降低、显气孔率增大、溶失性增大、体积密度减小;经1560℃烧结2.5 h后,淀粉加入量为8%的氧化铝基陶瓷型芯综合性能最好,其室温抗弯强度为24.8 MPa、显气孔率为47.98%、溶失性为1.92 g/h、体积密度为1.88 g/cm3。     

PBO和芳纶纤维单丝拉伸性能影响因素分析

使用等速拉伸试验仪测试了进口和国产聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维、芳纶纤维的单丝力学性能,探究了不同制样条件、测试条件对有机纤维单丝拉伸性能的影响,影响因素包括拉伸速率、试样标距、纤维含湿率以及热老化温度。结果表明:试样标距由5 mm增至60 mm,4种纤维的Weibull统计强度均逐渐减小;随着拉伸速率由5 mm/min增至200 mm/min,4种纤维的Weibull强度均表现出先增大后减小的变化规律;随着吸湿率增加,进口PBO和芳纶纤维强度逐渐下降;随着老化温度升高,纤维的单丝拉伸强度下降,进口PBO和芳纶纤维在300℃热处理40 h后强度分别下降39.1%和51.6%。     

整流罩用隔热材料的研制

以改性有机硅树脂基体和无纺纤维毡为原料,经喷涂定型工艺制备了低密度阻燃隔热材料.材料密度和热导率分别为0.27～0.36g/cm3和0.032～0.036 W/(m·K).测试分析了基体拉伸强度以及材料密度和厚度对隔热效果的影响.结果表明,隔热性能可满足直升机发动机整流罩的热防护要求.     

浆料浸渍工艺制备高性能Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料

为了利于大型构件的制备,采用浆料浸渍工艺,以Nextel 720连续氧化铝纤维增韧,通过一次烧结过程制备了Al₂O₃/Al₂O₃陶瓷基复合材料。测试了复合材料的物理及力学性能,并采用光学显微镜、SEM对试样的微观形貌进行了表征。结果表明：复合材料的体积密度为2.64 g/cm³,显气孔率为26%,材料基体呈现典型的多孔结构特征;室温及1 200 ℃,复合材料厚度方向的热导率分别为3.49及2.04 W/（m·K）;200～1 200 ℃,复合材料面内方向的热膨胀系数为（4.7～7.1）×10^-6/K;复合材料室温、1 100及1 200 ℃拉伸强度分别为202.4、222.4及228.4 MPa,试样断面纤维拔出明显;室温弯曲强度为200.5 MPa,试样发生韧性断裂;层剪强度为21.0 MPa。制备的材料主要性能与美国ATK-COI陶瓷公司的同类型材料相当,部分力学性能更优异。     

柔性氧化硅气凝胶隔热复合材料的制备和性能

以正硅酸乙酯为原料,高硅氧纤维为增强体,采用氨水催化一步法制备了柔性的纤维增强氧化硅气凝胶隔热复合材料。当pH=7时,气凝胶的比表面积最大;水含量增大,比表面积降低;乙醇含量增大,比表面积增大,EtOH/TEOS(摩尔比)大于10以上,比表面积增加不明显,趋于稳定。以比表面积较大的气凝胶作为基体的柔性复合材料常温热导率为0.031 W/(m.K)[纯高硅氧纤维毡为0.044 W/(m.K)]。该柔性隔热材料安装方便,特别适用于大面积、不规则形状的包覆隔热。     

复合材料在长时间加热条件下的隔热机理

结合长时间非烧蚀热防护的技术需求,在固定壁面温度的条件下,对多孔材料传导-辐射耦合传热过程进行了模拟。结果表明:材料的隔热性能与材料的使用环境及内部结构密切相关,减小内部孔隙的特征尺寸,增加材料的密度和固体材料的比率有利于降低隔热材料的等效热导率,并延长材料达到热平衡的时间;同时达到平衡时,材料的背面温升与背面散热条件密切相关。     

HCFC-141b 型聚氨酯泡沫塑料耐环境性能

对比分析经历模拟特定环境的环境交变试验、盐雾试验、加速老化试验和太阳辐射试验前后泡沫塑料的压缩强度、闭孔率、线胀系数和热导率等性能。结果表明,HCFC-141b型聚氨酯泡沫塑料经历环境老化后,压缩强度和热导率增加,线胀系数减小,闭孔率略有增加,热导率增加。太阳辐照试验对泡沫性能影响最大,试样SD-4压缩强度提高32%,闭孔率先增加后减少,线胀系数降低19%,热导率升高30%。     

各种纤维对无机耐高温绝热涂料的改性作用

将九种不同性质的纤维,分别加到脆性的无机耐高温绝热涂料中,研究了各种纤维对涂料的改性作用。对弹性模量、抗拉强度、断裂应变、抗折强度、抗冲击强度、粘接强度、热导率、热膨胀系数和体积密度进行了测定。结果表明,耐碱玻璃纤维具有最好的综合改性效果,金属纤维和尼龙纤维能显著提高抗冲击性能。对试样断口的观察揭示了断口形貌与某些强度之间的关系。     

无机盐源ZrO2 块体气凝胶的制备

以ZrOCl2·8H2O为锆源,通过添加乙酸(HAC)、聚乙二醇600 (PEG)和甲酰胺(FA)等化学添加剂调节溶胶-凝胶速率、胶体粒子的分散性和凝胶网络结构的均匀性,以环氧丙烷(PO)为凝胶促进剂制备ZrO2凝胶,再结合高温超临界干燥工艺制备出了有一定强度的、具有均匀网络结构的块体ZrO2气凝胶.采用SEM和BET等分析手段对制备的样品进行微观形貌和性能表征.结果表明:随着FA的增加,样品孔体积和平均孔径均减小,比表面积增大;随着PEG的增加,样品比表面积、孔体积、平均孔径均出现先增大后减小的规律.