氧化硅—氧化铝复合高温隔热瓦的制备与性能研究

发布时间：2017-07-07 07:02

  本文关键词：氧化硅—氧化铝复合高温隔热瓦的制备与性能研究

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【摘要】：随着以HTV-2、X-37B等为代表的高超声速飞行器、临近空间飞行器飞行速度的快速增加以及在大气中长时间巡航,使得新型飞行器所面临的气动加热环境日趋严酷,热防护问题日益突出,因而急需研制新型的热防护材料,以解决飞行器研制的瓶颈问题。隔热瓦是由短切纤维经高温烧结得到的一种轻质多孔材料,其具有孔隙率高、密度低,在高温下具有稳定的形状和一定的力学性能的优点,同时兼具隔热、抗冲击冲刷和保持飞行器气动外形的作用,是一种轻质多孔的高效热防护材料,可以应用于飞行器迎风面前部、后部及机翼等大面积热防护区域,在新型飞行器防热结构中占很大比例,是飞行器热防护和热控问题的主体。本文以高纯度超细直径的石英纤维和高纯氧化铝纤维为主要原料,以硼硅玻璃为高温粘结剂,通过纤维短切处理、有效分散、湿法成型及高温热处理等工艺环节制备了氧化硅-氧化铝复合高温隔热瓦,并对其制备工艺、微观组织、常规热物理性能、力学性能及可重复使用性能进行了表征评价。实验结果表明:采用高速剪切工艺处理的石英纤维长径比均匀可控,通过盐酸调节pH值至2~4可以得到均匀分散的纤维料浆,控制抽滤真空度为-0.08MPa,时间5~10min可以实现隔热瓦的真空成型,通过逐级干燥工艺排除隔热瓦中多余的水分,采用热处理温度1200~1260℃,保温1~3h对隔热瓦进行烧结,得到了轻质多孔具有一定强度和优异隔热性能的高温隔热瓦。研究的氧化硅-氧化铝复合高温隔热瓦常温热导率低于0.05W/m·K,密度在0.2~0.5g/cm3之间可控,材料厚度方向压缩强度在0.2~2MPa之间,拉伸强度在0.1~1MPa之间,材料具有优异的加工性;多次重复试验结果表明,隔热瓦可以在1200℃条件下循环使用10次,综合性能变化不大,可以满足应用条件。通过料浆喷涂和热处理工艺在隔热瓦表面制备了高辐射涂层,典型隔热瓦样件通过了风洞考核试验,试验后的隔热瓦结构完整,尺寸没有变化,背温满足设计要求。在复合隔热瓦内部引入具有纳米结构的气凝胶,可进一步降低其气相热传导,研究结果表明:引入气凝胶后,复合隔热瓦的密度有所增加,常温导热系数可以下降30%,1000℃导热系数可以下降22%,同时,其压缩强度有了明显提高,随着隔热瓦原始密度的增大,引入气凝胶含量降低,压缩强度增加趋势减缓。
【关键词】：石英纤维 氧化铝纤维 硼硅玻璃 隔热瓦 导热系数 压缩强度
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V259
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-27
• 1.1 课题研究背景及研究意义9-10
• 1.2 国内外轻质耐高温防热结构一体化材料研究现状10-13
• 1.2.1 碳/碳复合材料10-11
• 1.2.2 碳/碳化硅复合材料11-12
• 1.2.3 硼化物陶瓷基复合材料12-13
• 1.3 国内外大面积轻质热防护材料研究现状13-22
• 1.3.1 陶瓷纤维高温隔热瓦14-18
• 1.3.2 气凝胶复合隔热材料18-19
• 1.3.3 陶瓷纤维柔性隔热材料19-20
• 1.3.4 组合式热防护材料20-22
• 1.4 新型轻质热防护材料22-25
• 1.5 选题依据及本文研究内容25-27
• 第2章 实验与研究方法27-38
• 2.1 研究思路及实施方案27-29
• 2.1.1 研究思路27-28
• 2.1.2 实施方案28-29
• 2.2 氧化硅-氧化铝复合高温隔热瓦制备29-32
• 2.2.1 纤维预处理29-30
• 2.2.2 纤维分散30-31
• 2.2.3 高温隔热瓦坯体成型31
• 2.2.4 复合高温隔热瓦热处理31-32
• 2.3 实验原料及主要仪器设备32-34
• 2.3.1 实验原材料32-33
• 2.3.2 实验用仪器设备33-34
• 2.4 主要的分析测试及表征方法34-38
• 2.4.1 体积密度及孔隙率的表征34
• 2.4.2 热学性能测试表征34-35
• 2.4.3 力学性能测试表征35-36
• 2.4.4 其它测试分析36-38
• 第3章 氧化硅-氧化铝复合高温隔热瓦的制备及性能研究38-61
• 3.1 引言38
• 3.2 氧化硅-氧化铝复合高温隔热瓦组分及制备工艺参数优化38-45
• 3.2.1 烧结助剂BN含量对高温隔热瓦微观结构及性能影响38-43
• 3.2.2 硅溶胶含量对高温隔热瓦微观结构及性能影响43-44
• 3.2.3 热处理制度对高温隔热瓦微观结构的影响44-45
• 3.3 氧化硅-氧化铝复合高温隔热瓦性能分析45-52
• 3.3.1 微观结构45-46
• 3.3.2 热学性能46-50
• 3.3.3 力学性能50-52
• 3.4 氧化硅-氧化铝复合高温隔热瓦可重复使用性能评价52-59
• 3.4.1 高温隔热瓦 25℃~1200℃循环条件下性能衰退规律及机理研究52-55
• 3.4.2 高温隔热瓦-150℃~150℃循环条件下性能衰退规律及机理研究55-57
• 3.4.3 高温隔热瓦多次氧化烧蚀条件下性能衰退规律及机理研究57-59
• 3.5 本章小结59-61
• 第4章 高温隔热瓦地面模拟考核试验及隔热性能优化61-73
• 4.1 引言61
• 4.2 氧化硅-氧化铝复合高温隔热瓦模拟考核实验61-65
• 4.3 氧化硅-氧化铝复合高温隔热瓦隔热性能优化65-71
• 4.4 本章小结71-73
• 结论73-75
• 参考文献75-82
• 致谢82

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本文编号：529130