本發(fā)明涉及耐高溫莫來石纖維多孔隔熱瓦的制備方法。

背景技術(shù)：

在航空航天領(lǐng)域，具有高馬赫數(shù)、長航時(shí)、可反復(fù)往返大氣層的空天飛機(jī)已成為各國軍事競爭的焦點(diǎn)，隨之帶來的飛行器高溫隔熱問題已成為制約其發(fā)展的主要問題之一。莫來石纖維剛性多孔材料具有輕質(zhì)、隔熱、耐高溫、抗氧化、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在各類航天飛行器的隔熱層起著至關(guān)重要的作用。

目前，傳統(tǒng)的燒蝕型熱防護(hù)材料已難以滿足可重復(fù)使用的需求，而耐氧化的石英纖維多孔材料的耐溫性能(最高1200℃)無法滿足高馬赫數(shù)航天器的耐溫要求，因此耐氧化可重復(fù)使用且具有高耐溫性(最高1500℃)的莫來石纖維多孔材料已成為飛行器隔熱層的最佳選擇。

制備莫來石纖維多孔材料，纖維之間的粘結(jié)劑很重要。目前常用的粘結(jié)劑有SiO₂、B₂O₃及其復(fù)合體系。SiO₂粘結(jié)劑在莫來石纖維表面的鋪展效果很差，無法把纖維牢固的粘結(jié)在一起，在承受載荷的過程中粘結(jié)點(diǎn)會很容易斷裂。B₂O₃粘結(jié)劑在燒結(jié)過程中形成液相，其流動性和在纖維表面均勻鋪展使纖維得到良好的包裹，并使纖維之間得到了很好的粘結(jié)，形成穩(wěn)固的三維孔狀結(jié)構(gòu)，但是B₂O₃耐溫性較差，且高溫下易揮發(fā)，失去粘結(jié)作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于要解決現(xiàn)有莫來石纖維隔熱瓦粘結(jié)劑耐溫性能不夠高和不能很好包覆纖維的技術(shù)問題，提供一種耐高溫莫來石纖維多孔隔熱瓦的制備方法，選用了多晶莫來石纖維作為基體，硅粉作為粘結(jié)劑，采用凝膠注模工藝，通過原位固化的方法來制備空間結(jié)構(gòu)優(yōu)良的三維同相莫來石纖維隔熱材料。其中，硅粉在高溫?zé)Y(jié)過程中熔融，具有流動性，且可以在纖維表面鋪展，聚集在莫來石纖維的搭接點(diǎn)處，形成有彈性的三維骨架，燒結(jié)過程中發(fā)生氧化，生成SiO₂，性能比較穩(wěn)定。

一種莫來石纖維多孔隔熱瓦的制備方法，包括以下步驟：

(1)利用纖維粉碎機(jī)對多晶莫來石纖維進(jìn)行剪切，得到短切纖維；

(2)將丙烯酰胺、叔丁醇和亞甲基雙丙烯酰胺混合均勻，得到預(yù)混溶液；

(3)取預(yù)混溶液，加入粘結(jié)劑，用攪拌器進(jìn)行攪拌，直至粘結(jié)劑完全分散在預(yù)混液中，得到預(yù)混漿料；

(4)將步驟(3)中得到的漿料放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，得到分散均勻的陶瓷漿料；

(5)將步驟(1)得到的多晶莫來石纖維，加入步驟(4)配好的漿料中，用攪拌器進(jìn)行攪拌，待纖維添加完后繼續(xù)攪拌，直至纖維均勻地分散在漿料中，得到分散好的纖維漿料；

(6)將漿料漿料從電磁攪拌器上取下，用玻璃棒對漿料繼續(xù)進(jìn)行攪拌，同時(shí)向漿料中加入催化劑和引發(fā)劑，繼續(xù)攪拌3～60s，將漿料倒入已經(jīng)涂好硅樹脂的模具中進(jìn)行固化；

(7)將模具和坯體一起放入電子恒溫干燥箱中進(jìn)行干燥處理，脫模，得到干燥的坯體，之后將坯體放入高溫爐中進(jìn)行排膠和燒結(jié)，得到莫來石纖維多孔隔熱瓦。

所述步驟(1)短切纖維的長度為400μm～600μm。

所述步驟(2)中的預(yù)混溶液由質(zhì)量比為丙烯酰胺：叔丁醇：亞甲基雙丙烯酰胺＝20:(60～100):2的組分組成。

所述步驟(3)中在預(yù)混液中添加2％～6％質(zhì)量比的Si粉作為粘結(jié)劑。

所述步驟(4)中球磨時(shí)間為4h～8h。

所述步驟(5)中加入的多晶莫來石纖維占步驟(3)中預(yù)混液質(zhì)量的15％～30％。

所述步驟(5)中的漿料攪拌時(shí)間為4min～8min。

所述步驟(6)中加入了占步驟(3)中預(yù)混液質(zhì)量0.5％～1％的引發(fā)劑過硫酸銨和占步驟(3)中預(yù)混液質(zhì)量0.1％～0.2％的催化劑四甲基乙二胺。

所述步驟(7)中干燥處理的溫度為80℃～100℃，干燥時(shí)間為6h～10h。

所述步驟(7)中的燒結(jié)速度控制為以2℃/min～3℃/min的升溫速率加熱到500℃～700℃，再以5℃/min～7℃/min的升溫速率加熱到1300℃～1500℃，保溫2h～4h。

本發(fā)明通過調(diào)整濕坯凝膠注模成型、干坯高溫?zé)Y(jié)等工藝環(huán)節(jié)，使制備工藝適用于制備基于莫來石纖維為基體的剛性多孔隔熱瓦。本發(fā)明制備的莫來石纖維多孔隔熱瓦的密度在0.31g/cm³～0.49g/cm³之間，抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.5Mpa～1.1Mpa，耐溫達(dá)到1500℃，粘結(jié)劑對纖維有較好的包覆。在本發(fā)明中，硅粉在高溫下熔融，作為高溫粘結(jié)劑，流動聚集到莫來石纖維的搭接點(diǎn)處，從而起到連接纖維和支撐剛性纖維多孔材料的作用。

與現(xiàn)有的莫來石纖維隔熱瓦制備方法相比，此發(fā)明克服了莫來石陶瓷纖維隔熱瓦粘結(jié)劑耐溫性能不夠高和不能很好包覆纖維的技術(shù)問題。硅粉粘結(jié)劑的采用相比傳統(tǒng)氧化硅氧化硼粘結(jié)劑使隔熱瓦耐溫性能由1200℃提高到1500℃，同時(shí)使粘結(jié)劑對莫來石纖維有了很好的包覆，力學(xué)性能顯著提高。此種隔熱瓦內(nèi)部的粘結(jié)劑分布均勻，能夠良好的包覆纖維，高溫下不揮發(fā)，能夠起到固定和搭接纖維的作用。本發(fā)明制備的莫來石纖維多孔隔熱瓦能承受1500℃高溫，可用于高超聲速航天飛行器機(jī)身的較高溫區(qū)。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1制備的莫來石纖維多孔隔熱瓦的電子掃描圖片。

圖2為實(shí)施例1制備的莫來石纖維多孔隔熱瓦纖維搭接點(diǎn)處的電子掃描圖片。

具體實(shí)施方式

為了更好地理解本發(fā)明，說明步驟如下：

(1)利用纖維粉碎機(jī)對多晶莫來石纖維進(jìn)行剪切，剪切時(shí)間為2min～10min，得到長度為400μm～600μm的短切莫來石纖維；

(2)將丙烯酰胺(AM)、叔丁醇(TBA)和亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)按丙烯酰胺(AM)：叔丁醇(TBA)：亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)＝20:(60～100):2的質(zhì)量比混合均勻，得到預(yù)混溶液；

(3)稱取80～100g步驟(2)中得到的預(yù)混液，加入2％～6％質(zhì)量比的Si粉，用電磁攪拌器進(jìn)行攪拌，直至粘結(jié)劑完全分散在預(yù)混液中，得到預(yù)混漿料；

(4)將步驟(3)中得到的漿料放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨4h～8h，得到分散比較均勻的陶瓷漿料；

(5)按步驟(4)中漿料15％～30％的質(zhì)量比稱量步驟(1)中得到的多晶莫來石纖維，并將纖維緩慢的加入步驟(4)配好的漿料中，用攪拌器進(jìn)行攪拌4min～8min，邊加入邊攪拌，待纖維添加完后繼續(xù)攪拌，直至纖維均勻地分散在漿料中，得到分散好的纖維漿料；

(6)將步驟(5)中得到的漿料從攪拌器上取下，對漿料繼續(xù)進(jìn)行攪拌，同時(shí)按照比例向漿料中加入0.5％～1％質(zhì)量比的引發(fā)劑過硫酸銨(APS)和0.1％～0.2％質(zhì)量比的催化劑四甲基乙二胺，繼續(xù)攪拌3s～60s，迅速將漿料倒入模具中進(jìn)行固化；

(7)將步驟(6)中的模具和坯體一起放入電子恒溫干燥箱中80℃～120℃進(jìn)行干燥處理6h～10h，脫模，得到干燥的坯體，之后將坯體放入高溫爐中進(jìn)行排膠和燒結(jié)，得到莫來石纖維多孔隔熱瓦。燒結(jié)制度控制為以2℃/min～3℃/min的升溫速率加熱到500℃～700℃，再以5℃/min～7℃/min的升溫速率加熱到1300℃～1500℃，保溫2h～4h。

本發(fā)明通過優(yōu)選莫來石纖維和硅粉的組分比例，并改善制備過程中纖維的分散度下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于所述實(shí)施例。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例一種莫來石纖維多孔隔熱瓦的制備方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的：

(1)利用纖維粉碎機(jī)對多晶莫來石纖維進(jìn)行剪切，剪切時(shí)間為2min，得到長度為600μm的短切莫來石纖維；

(2)將20g丙烯酰胺(AM)、100g叔丁醇(TBA)和2g亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)混合均勻，得到預(yù)混溶液；

(3)稱取100g步驟(2)中得到的預(yù)混液，加入2gSi粉，用電磁攪拌器進(jìn)行攪拌，直至硅粉完全分散在預(yù)混液中，得到預(yù)混漿料；

(4)將步驟(3)中得到的漿料放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨6h，得到分散比較均勻的陶瓷漿料；

(5)稱量15g步驟(1)中得到的多晶莫來石纖維，并將纖維緩慢的加入步驟(4)配好的漿料中，用攪拌器進(jìn)行攪拌4min，邊加入邊攪拌，待纖維添加完后繼續(xù)攪拌，直至纖維均勻地分散在漿料中，得到分散好的纖維漿料；

(6)將步驟(5)中得到的漿料從攪拌器上取下，對漿料繼續(xù)進(jìn)行攪拌，同時(shí)按照比例向漿料中加入1g引發(fā)劑過硫酸銨(APS)和0.2g催化劑四甲基乙二胺，繼續(xù)攪拌3s，迅速將漿料倒入模具中進(jìn)行固化；

(7)將步驟(6)中的模具和坯體一起放入電子恒溫干燥箱中80℃進(jìn)行干燥處理10h，脫模，得到干燥的坯體，之后將坯體放入高溫爐中進(jìn)行排膠和燒結(jié)，燒結(jié)制度控制為以2.5℃/min的升溫速率加熱到700℃，再以5℃/min的升溫速率加熱到1300℃，保溫4h，得到莫來石纖維多孔隔熱瓦。試樣密度為0.31g/cm³，抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.5Mpa，耐溫達(dá)到1500℃，粘結(jié)劑對纖維有較好的包覆(見附圖1、2)。

本實(shí)施例制備的莫來石纖維多孔隔熱瓦的電子掃描圖片如圖1所示。

本實(shí)施例制備的莫來石纖維多孔隔熱瓦纖維搭接點(diǎn)處的電子掃描圖片如圖2所示。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例一種莫來石纖維多孔隔熱瓦的制備方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的：

(1)利用纖維粉碎機(jī)對多晶莫來石纖維進(jìn)行剪切，剪切時(shí)間為6min，得到長度為500μm的短切莫來石纖維；

(2)將丙烯酰胺(AM)、叔丁醇(TBA)和亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)按丙烯酰胺(AM)：叔丁醇(TBA)：亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)＝20:80:2的質(zhì)量比混合均勻，得到預(yù)混溶液；

(3)稱取80g步驟(2)中得到的預(yù)混液，加入3.2g Si粉，用電磁攪拌器進(jìn)行攪拌，直至硅粉完全分散在預(yù)混液中，得到預(yù)混漿料；

(4)將步驟(3)中得到的漿料放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨8h，得到分散比較均勻的陶瓷漿料；

(5)稱量16g步驟(1)中得到的多晶莫來石纖維，并將纖維緩慢的加入步驟(4)配好的漿料中，用攪拌器進(jìn)行攪拌6min，邊加入邊攪拌，待纖維添加完后繼續(xù)攪拌，直至纖維均勻地分散在漿料中，得到分散好的纖維漿料；

(6)將步驟(5)中得到的漿料從攪拌器上取下，對漿料繼續(xù)進(jìn)行攪拌，同時(shí)按照比例向漿料中加入0.4g引發(fā)劑過硫酸銨(APS)和0.08g催化劑四甲基乙二胺，繼續(xù)攪拌30s，迅速將漿料倒入模具中進(jìn)行固化；

(7)將步驟(6)中的模具和坯體一起放入電子恒溫干燥箱中90℃進(jìn)行干燥處理9h，脫模，得到干燥的坯體，之后將坯體放入高溫爐中進(jìn)行排膠和燒結(jié)，燒結(jié)制度控制為以2℃/min的升溫速率加熱到500℃，再以6℃/min的升溫速率加熱到1400℃，保溫3h，得到莫來石纖維多孔隔熱瓦。試樣密度為0.41g/cm³，抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.8Mpa，耐溫達(dá)到1500℃，粘結(jié)劑對纖維有較好的包覆。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例一種莫來石纖維多孔隔熱瓦的制備方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的：

(1)利用纖維粉碎機(jī)對多晶莫來石纖維進(jìn)行剪切，剪切時(shí)間為10min，得到長度為400μm的短切莫來石纖維；

(2)將丙烯酰胺(AM)、叔丁醇(TBA)和亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)按丙烯酰胺(AM)：叔丁醇(TBA)：亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)＝20:60:2的質(zhì)量比混合均勻，得到預(yù)混溶液；

(3)取90g步驟(2)中得到的預(yù)混液，加入5.4g Si粉，用電磁攪拌器進(jìn)行攪拌，直至硅粉完全分散在預(yù)混液中，得到預(yù)混漿料；

(4)將步驟(3)中得到的漿料放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨8h，得到分散比較均勻的陶瓷漿料；

(5)稱量27g步驟(1)中得到的多晶莫來石纖維，并將纖維緩慢的加入步驟(4)配好的漿料中，用攪拌器進(jìn)行攪拌8min，邊加入邊攪拌，待纖維添加完后繼續(xù)攪拌，直至纖維均勻地分散在漿料中，得到分散好的纖維漿料；

(6)將步驟(5)中得到的漿料從攪拌器上取下，對漿料繼續(xù)進(jìn)行攪拌，同時(shí)按照比例向漿料中加入0.9g引發(fā)劑過硫酸銨(APS)和0.14g催化劑四甲基乙二胺，繼續(xù)攪拌60s，迅速將漿料倒入模具中進(jìn)行固化；

(7)將步驟(6)中的模具和坯體一起放入電子恒溫干燥箱中120℃進(jìn)行干燥處理6h，脫模，得到干燥的坯體，之后將坯體放入高溫爐中進(jìn)行排膠和燒結(jié)，燒結(jié)制度控制為以3℃/min的升溫速率加熱到600℃，再以7℃/min的升溫速率加熱到1500℃，保溫2h，得到莫來石纖維多孔隔熱瓦。試樣密度為0.49g/cm³，抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.1Mpa，耐溫達(dá)到1500℃，粘結(jié)劑對纖維有較好的包覆。