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。     

多层反射纳米隔热材料的制备及性能研究

制备了超薄纳米隔热材料和高反射金属箔,并组合成多层反射纳米隔热材料.结果表明:制备的超薄纳米隔热材料表面平整、厚度小于0.5 mm,材料的孔和粒径为纳米尺度;制备的金属膜结构紧密,厚度满足设计要求,在中心波长附近平均反射率高于95%.典型多层反射纳米隔热材料室温热导率为16 mW/(m·K).     

多孔陶瓷制备工艺及性能研究

回顾了多孔陶瓷材料传统的制备工艺方法，比较了不同方法之间的优缺点。列举了获得特殊孔结构的新型工艺方法，这些方法均能明显地改善多孔陶瓷的性能。概述了多孔陶瓷的力学性能、渗透性、隔热性能等的表征方法，并对今后的研究前景和发展作了展望。     

高温纤维隔热材料的研究

前言宇宙飞行器由于制动火箭的减速,再入角度再入速度都比较小,因此再入时间长、热流小,可以采用辐射冷却防热。美国“水星”和“双子星坐”的坐船都是采用辐射防热。辐射防热对隔热提出了苛刻要求,希望研制一种耐高温、容重轻、导热系数低的高温隔热材料。     

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。     

基于多种莫来石纤维的硅基陶瓷型芯增强机制及性能研究

分别以多晶、非晶莫来石纤维为增强相制备氧化硅基陶瓷型芯,探究纤维种类对型芯性能的影响。非晶纤维在促进方石英析晶、降低收缩率、提高气孔率方面的效果低于多晶纤维。相比于多晶纤维,非晶纤维具有较多结构缺陷,纤维与基体通过扩散传质形成紧密的结合,显著提高型芯的强度和抗蠕变性能,而且非晶纤维的亚稳态结构在碱性溶液中具有较高的化学活性,使型芯表现出优良的溶蚀性。非晶莫来石纤维质量分数为3%的硅基陶瓷型芯表现出优异的综合性能,其室温弯曲强度达27.7 MPa,高温弯曲强度为22.4 MPa,高温蠕变为0.31 mm,溶蚀率为1.26g/min,能够很好地满足空心叶片的浇注需求。     

三维网络碳化硅多孔陶瓷的制备

以中间相沥青添加55%(质量分数,下同)的Si粉混合物为原料,制备了含Si的炭泡沫模板。在高温反应烧结炉中,氩气气氛下1500℃保温1～6h,结合反应烧结工艺制备了碳化硅多孔陶瓷。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射分析仪(XRD)对碳化硅多孔陶瓷的微观形貌、物相组成进行了观察,并对熔融Si与C的反应机理进行了探讨。结果表明:碳化硅多孔陶瓷的微观结构与炭泡沫模板的微观结构一致,烧结温度1500℃下,随着保温时间的延长,多孔陶瓷的弯曲强度先增大后减小,而孔隙率先减小后增大;在保温4h的条件下制备的碳化硅多孔陶瓷主要由β-SiC相组成,最大弯曲强度为26.2MPa,对应的孔隙率为45%。内部熔融的Si与外部熔融的Si同时与C反应生成SiC,最后两者结合在一起形成致密的SiC多孔陶瓷。     

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.     

氮化硅短纤维多孔材料制备与性能研究

以氮化硼为烧结助剂,采用抽滤成型方法制备氮化硅短纤维多孔材料。通过氮化硼和氮化硅纤维的氧化过程分析,确定了最佳烧结制度。对不同氮化硼含量材料的微观结构、压缩及介电性能进行了测试分析。结果表明:在1 200℃时,氮化硼氧化增重达20%,氮化硅纤维表面明显氧化;随着氮化硼含量的增加,氮化硅纤维粘结明显,粘结点主要成分为二氧化硅和硼硅酸盐,氮化硅短纤维多孔材料的ε随着密度的增加从1. 36增加到1. 62,tanδ从7. 8×10~(-4)增加到9. 5×10~(-4),材料10%压缩应变下的压缩强度从0. 58 MPa提升到2. 03 MPa。     

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℃。     

高效隔热材料结构与性能研究

以陶瓷隔热瓦和纳米隔热材料为研究对象,揭示了高效隔热材料结构与性能的关系.研究结果表明:随着密度的增加,隔热材料室温热导率和力学性能随之增加;陶瓷隔热瓦平面方向和厚度方向的结构和性能存在明显差异;复合纳米结构后,材料的隔热性能明显提高;室温热导率从43 mW/(m·K)降低至36 mW/(m·K);添加少量功能添加物后,材料的高温隔热性能进一步提高,高温考核中背面温度从668℃降低到576℃.同时介电常数从2.2％增加到6.6％;通过气相超临界工艺在材料表面接枝有机基团,材料表面疏水状态发生显著变化,材料具备了防水和低吸潮的特性.     

环氧氯丙烷改性酚醛纤维的制备及性能

在酚醛树脂的合成过程中引入环氧氯丙烷,通过聚合反应得到改性酚醛树脂,以此为原料,采用熔融纺丝法制备出环氧氯丙烷改性酚醛纤维.通过力学性能测试及TG、GPC、FT-IR等分析表征手段对纤维的结构和性能进行了研究.结果表明:环氧氯丙烷的加入显著提高了纤维的断裂伸长率,对纤维热稳定性和残碳率的影响很不,即改性纤维仍保持了纯酚醛纤维高残碳率和高热稳定性的特点.     

三维夹层结构复合材料的制备及性能

采用酚醛树脂、氰酸酯树脂分别与三维中空芯层结构材料进行复合,制备不同树脂基三维中空芯层结构复合材料,对不同基体复合材料的力学及介电性能进行研究。结果表明,三维中空芯层结构与树脂复合工艺性良好,压缩强度达到5.0和3.5 MPa,与传统的蜂窝、泡沫材料相比,复合材料的力学性能得到较大幅度提高;介电常数为1.5和1.6,且在不同频率下显示优异的稳定性。     

航天器高温隔热材料及提高性能的途径

本文论述了航天器防热结构的高温隔热材料的地位、材料类型和提高材料性能的途径及其理论基础。     

多孔隔热材料内压响应的影响因素分析

针对新型多相隔热材料的结构特征,选取了1.25μm2、.5μm、10μm的纤维尺寸,85%9、0%、95%的孔隙率,不同宏观尺寸的材料简化模型,运用改进的DSMC方法对其进行了数值模拟,旨在分析影响压力响应的众多因素,给出孔隙率、内外压比、纤维尺寸、宏观尺寸等因素对响应时间的影响规律。结果表明,孔隙率对响应时间的影响较大,同一条件下,孔隙率减小,响应时间增大;和纤维尺寸相比,响应时间对内外压比的敏感性相对较弱,内外压比增加,响应时间有所增加;同一条件下,纤维尺寸降低,响应时间增大。     

纳米超级隔热材料的设计与制备

从纳米超级隔热材料的组成及微观结构角度分析了降低材料热导率的途径,提出了降低纳米超级隔热材料热导率的一般原则,制备了SiO2及SiO2-Al2O3纳米超级隔热材料并对材料的孔结构进行控制.结果表明:SiO2和SiO2-Al2O3纳米超级隔热材料具有均匀的多孔结构,Al2 O3的加入提高了SiO2纳米超级隔热材料的热稳定性,且不会破坏材料的多孔结构,室温热导率仅为0.02 W/(m·K),提出了Al2O3改善SiO2纳米超级隔热材料热稳定性的机理.     

多孔纤维陶瓷的各向异性热导率研究

确定陶瓷涂层各向异性热导率是航空发动机热障防护的重要研究内容。本文从多孔陶瓷的各向异性结构出发,建立导热微元体模型,通过计算特定排列方式的多孔介质结构不同方向的热阻,建立了热导率与多孔结构的关系,推算出材料各向异性热导率值。并由各向异性陶瓷热障涂层的隔热效果数值模拟,阐明了材料性能的优越性,以上方法可为指导陶瓷涂层的热防护设计提供参考。     

纤维织物增强三元乙丙橡胶绝热材料的制备及性能

为了改善传统短切纤维增强复合绝热材料横向性能较差、层间剪切强度较低、耐冲击性能不足的问题,制备了几种纤维织物增强三元乙丙橡胶(EPDM)复合绝热材料。研究了不同纤维表面改性方法对聚酰亚胺(PI)、芳纶(F-12)和碳纤维(CF)三种纤维织物与EPDM之间的界面粘接性能。将优选的纤维处理方法对三种纤维布进行表面改性处理,制备了纤维织物增强的EPDM复合材料。测试了其力学性能以及耐烧蚀性能。结果表明:三种绝热材料的拉伸强度均在30 MPa以上,耐烧蚀性能优异。在三种织物特定的编织结构条件下,PI/EPDM的线烧蚀率较小,碳层保留最为完整,综合性能最为优异,有望在高性能固体火箭发动机中获得应用。     

纤维增强SiBN陶瓷基复合材料的制备及性能

为了满足不同马赫数飞行器对透波材料提出的集透波、承载、防热、耐蚀、抗冲击于一体的性能要求,本文开展了不同耐热区间纤维增强陶瓷基复合材料的研究。采用PIP工艺分别制备了氧化铝、莫来石、石英、氮化硅纤维增强SiBN陶瓷基复合材料,并对其介电和力学性能进行了测试与评价。结果发现莫来石纤维增强SiBN陶瓷基复合材料的介电常数和介电损耗分别为4.1~4.2和1.0×10-2~9.7×10-3,抗弯、拉伸、压缩强度分别为95.12、34.95和80.92 MPa,具有最佳的综合性能。     

硅溶胶强化辅助制备C纤维增韧氧化铝结合莫来石陶瓷基复合材料

通过氧化铝先驱体溶液循环浸渍热解结合硅溶胶浸渗强化的方法制备了三维C纤维预制体增韧的氧化铝结合莫来石陶瓷基复合材料 ,研究了氧化铝浸渗工艺对试样增重率、气孔率以及热处理温度对试样内气孔尺寸和分布的影响 ,分析了复合材料物相、微结构以及复合材料的力学性能。结果表明 ,硝酸铝饱和溶液浸渗纤维预制体并热解后试样的增重率和开气孔率呈类似抛物线曲线 ;由于硝酸铝分解生成氧化铝的煅烧温度不同 ,氧化铝晶态及物理特性不同 ,试样内气孔尺寸和分布差别较大 ;选择经过 115 0℃预处理的试样进行硅溶胶浸渗 ,然后 14 0 0℃处理 2h ,氧化硅与氧化铝完全反应生成莫来石 ,获得了较为致密的复合材料 ,室温三点弯曲强度和断裂应变分别为 180MPa和 2 .2 %。