專利名稱：：一種新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)及其制作方法，屬于復(fù)合陶瓷材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，具術(shù)步及高超，飛行器的表面熱防護(hù)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
：高超音速機(jī)動(dòng)飛行器由于需在大氣層內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間高超音速飛行，飛行器的熱防護(hù)技術(shù)將是必須解決的一項(xiàng)重大的關(guān)鍵技術(shù)，它與傳統(tǒng)的熱防護(hù)技術(shù)有著很大的區(qū)別，高超音速機(jī)動(dòng)飛行器高速飛行過程中，氣動(dòng)加熱將使飛行器艙內(nèi)溫度接近蒙皮表面溫度，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和艙內(nèi)儀器正常工作，尖化翼(舵)前緣需承受幾千度氣動(dòng)熱高溫，傳統(tǒng)樹脂基防熱材料已不能滿足高超音速飛行器需求，為了滿足高超音速飛行器超音速機(jī)動(dòng)飛行和高打擊精度等高性能指標(biāo)要求，必須采用少燒蝕或非燒蝕無機(jī)防熱材料進(jìn)行防護(hù)。保證彈體在飛行時(shí)的良好的氣動(dòng)外形和表面熱防護(hù)已成為高超音速機(jī)動(dòng)飛行器熱防護(hù)發(fā)展趨勢(shì)。我國戰(zhàn)略彈頭的熱防護(hù)技術(shù)經(jīng)過近四十年的攻關(guān)和預(yù)研，取得了一系列較為成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，但由于其外形簡(jiǎn)單，再進(jìn)入時(shí)間短(一般為30秒左右)，采用燒蝕型熱防護(hù)能有效的解決其熱障問題，但是高超音速機(jī)動(dòng)飛行器外形極為復(fù)雜，熱環(huán)境為中等熱流、長(zhǎng)時(shí)間，與戰(zhàn)略彈頭的防熱有相當(dāng)大的差異，使得傳統(tǒng)的防熱理論和防熱設(shè)計(jì)無法達(dá)到預(yù)期的防熱效果；另外高超音速飛行器由于其戰(zhàn)術(shù)性能的要求，其防熱層必須具備薄層、輕質(zhì)、廉價(jià)三個(gè)條件。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于提供用于高超音速機(jī)動(dòng)飛行器用的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)及其制作方法，解決飛行器在高速巡航過程中，氣動(dòng)加熱使飛行器艙內(nèi)溫度接近蒙皮表面溫度，影響彈體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和艙內(nèi)儀器正常工作的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)包括鋁合金基體、隔熱層和防熱層，其隔熱層是在鋁合金基體上纏繞的多層石英編織的中空套管構(gòu)成的多孔隙交錯(cuò)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；防熱層為氮化硅粉體壓制成的與隔熱層匹配的型體；隔熱層外套接防熱層。所述的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，其隔熱層的石英編織套管參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)為石英纖維單絲直徑510pm，純度Si02含量^99.9%以上；套管內(nèi)徑0.5mm1.0mm。所述的石英編織套管采用濕法纏繞，套管間距14mm;由內(nèi)向外包括內(nèi)環(huán)向纏繞層，厚Hl-l4mm;中間螺旋纏繞層厚H2=2035mm，螺旋角為70。85。；外環(huán)向纏繞層厚H3=520mm。戶/M的氮化硅防熱層厚度2mm4mm。新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的制作方法，步驟如下(1)防熱層制作對(duì)氮化硅粉體調(diào)制，壓力壓制預(yù)成型體，再進(jìn)行等靜壓壓制，最后反應(yīng)燒結(jié)而成；(2)隔熱層制作預(yù)處理石英編織的套管，在鋁合金基體上進(jìn)行濕法纏繞石英纖維套管各層，最后進(jìn)行晾置和固化；(3)連接步驟在氮化硅防熱層和石英隔熱層之間涂上膠粘劑，旋轉(zhuǎn)粘接，再固化，最后用復(fù)合陶瓷螺栓連接。所述的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的制作方法，步驟(1)中對(duì)氮化硅材料成型采用等靜壓壓制和反應(yīng)燒結(jié)，壓制壓力為100MPa250MPa，燒結(jié)溫度150(TC1800。C。所述的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的制作方法，其歩驟(1)中對(duì)石英纖維套管濕法纏繞后，在7(TC12(TC溫度固化1214小時(shí)。所述的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的制作方法，其歩驟(3)中氮化硅套筒內(nèi)表面及石英隔熱層外表面均勻涂膠后，旋轉(zhuǎn)粘結(jié)在-起，然后進(jìn)行60°C120°C/6h固化，最后用復(fù)合陶瓷螺栓連接。所述的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的制作方法，其步驟(1)中對(duì)石英纖維套管濕法纏繞后固化纏繞好的艙段常溫晾置24小時(shí)后，按照80°C/2h、120°C/10h固化。本發(fā)明具有以下技術(shù)效果本發(fā)明新型無機(jī)防熱結(jié)構(gòu)平均密度低，強(qiáng)度好，熱物理性能優(yōu)異，防熱材料一氮化硅采用等靜壓反應(yīng)燒結(jié)工藝制備，材料抗燒蝕、抗氧化性好，強(qiáng)度高；石英纖維套管釆用濕法纏繞而成，成型方法簡(jiǎn)單快捷，材料密度低，彎曲強(qiáng)度值高，熱導(dǎo)率低、比熱容大、線膨脹、材料線燒蝕指標(biāo)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。結(jié)構(gòu)隔熱效果好，且結(jié)構(gòu)表面燒蝕現(xiàn)象較少，未出現(xiàn)裂紋、分層等缺陷。(1)采用氮化硅材料作為防熱材料，反應(yīng)燒結(jié)成氮化硅陶瓷，耐5高溫性能好，使用溫度1900。C，高比模、高比強(qiáng)、抗燒蝕，抗熱震，抗沖刷性能好，抗氧化性能好。采用等靜壓工藝方法制作的氮化硅材料密度均勻，各向性能好，能夠滿足飛行器在大氣層中高速飛行時(shí)的氣動(dòng)加熱環(huán)境要求，良好的氣動(dòng)外形保證了精確的打擊精度。(2)采用石英纖維套管進(jìn)行隔熱，由于石英材料具有低密度、耐燒蝕、熱導(dǎo)率低，抗熱震性能好、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，用其制作隔熱材料，能滿足飛飛行器的高熱流、中焓值的使用要求。采用石英纖維制作的石英編織套管作為隔熱層材料，能夠降低隔熱層的密度，同時(shí)，采用石英纖維編織成內(nèi)部中空的管狀材料，由于內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，能夠提高隔熱效果，石英材料本身具有耐高溫、低熱導(dǎo)率、耐燒蝕等特性，強(qiáng)化防隔熱效果，石英纖維編織的套管的使用溫度120(TC，熱導(dǎo)率低，強(qiáng)度高，密度低。(3)采用濕法纏繞工藝采用濕法纏繞工藝，工藝上簡(jiǎn)單、成熟，通過改變纏繞參數(shù)，加工出多孔隙交錯(cuò)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低了材料密度，降低了隔熱層的熱導(dǎo)率，提高了隔熱效果。圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是鋁合金基體上纏繞的多層石英纖維套管構(gòu)成的多孔隙交錯(cuò)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施例方式如圖l:本發(fā)明的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)包括鋁合金基體1、隔熱層2和防熱層3，其隔熱層是在鋁合金基體上纏繞的多層石英編織的中空套管構(gòu)成的多孔隙交錯(cuò)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；防熱層為氮化硅粉體壓制成的與隔熱層匹配的型體。隔熱層2外套接防熱層3。在鋁合金基體上纏繞的石英編織的中空套管至少5層石英纖維套管參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)為石英纖維單絲直徑510pm，純度Si02含量S99.9o/o以上；套管內(nèi)徑0.5mm1.0mm;浸潤齊U:環(huán)氧型。如圖2:石英纖維套管采用濕法纏繞，套管間距l(xiāng)4mm;由內(nèi)向外包括第一層是內(nèi)環(huán)向纏繞層2a，厚HK4mm;第二層是中間螺6旋纏繞層2b，厚H2-2035mm，螺旋角為70。85。；第三層是外環(huán)向纏繞層2c，厚H3:520mm。氮化硅防熱層厚度2mm4mm。本發(fā)明的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的制作方法步驟如下(1)防熱層制作對(duì)氮化硅粉體調(diào)制，壓力壓制預(yù)成型體，再進(jìn)行等靜壓壓制，最后反應(yīng)燒結(jié)而成；(2)隔熱層制作預(yù)處理石英纖維套管，在鋁合金基體上進(jìn)行濕法纏繞石英纖維套管各層，最后進(jìn)行晾置和固化；(3)連接步驟在氮化硅防熱層和石英隔熱層之間涂上膠粘劑，旋轉(zhuǎn)粘接，再固化，最后用復(fù)合陶瓷螺栓4連接。步驟(1)中對(duì)氮化硅材料成型采用等靜壓壓制和反應(yīng)燒結(jié)，壓制壓力為100MPa250MPa，燒結(jié)溫度1500°C1800°C。步驟(2)中對(duì)石英纖維套管采用濕法纏繞，套管間距l(xiāng)4mm;由內(nèi)向外包括第一層是內(nèi)環(huán)向纏繞層，厚H144mm;第二層是中間螺旋纏繞層厚H2-2035mm，螺旋角為70。85。；第三層是外環(huán)向纏繞層厚H3=520mm;再按照70°C120°C/1214h固化。步驟(3)中氮化硅套筒內(nèi)表面及石英隔熱層外表面均勻涂膠后，旋轉(zhuǎn)粘結(jié)在一起，然后進(jìn)行6(TC12(TC/6h固化，最后用復(fù)合陶瓷螺栓連接。實(shí)施例l:新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)艙段防熱試驗(yàn)件，其歩驟為1.防熱層制作a)調(diào)制氮化硅粉體。b)壓制用模具對(duì)粉體進(jìn)行壓制成型。C)等靜壓壓制對(duì)坯料進(jìn)行等靜壓壓制，對(duì)坯料進(jìn)行等靜壓壓制成型，壓力控制150MPa士10MPa。d)燒結(jié)按照燒結(jié)溫度180(TCi3(TC進(jìn)行燒結(jié)成型。e)磨削磨削加工至尺寸，氮化硅防熱層厚度4mm。2.隔熱層制作a)鋁合金基體處理丙酮清洗，噴砂粗化處理。b)涂膠處理后的鋁合金表面涂一薄層硅橡膠膠粘劑。C)纏繞成形按照八1203、Si02和Na2Si03二lg:3ml固相和液相比例配制高溫?zé)o機(jī)膠水，石英纖維套管蘸高溫?zé)o機(jī)膠水，在鋁合金基體1上由內(nèi)向外纏繞，參數(shù)設(shè)定第一層內(nèi)環(huán)向纏繞層2a層厚2mm+第二層中間螺旋纏繞層2b厚21mm+第三層外環(huán)向纏繞層厚2c厚10mm濕法纏繞疊加而成；第二層中間螺旋纏繞層螺旋角約75°，套管間距2mm。d)固化纏繞好的艙段常溫晾置24小時(shí)后，按照80°C/2h、120°C/10h固化。e)切割、磨削至規(guī)定尺寸。3.粘接、螺栓連接:按照Al20^t]Si02:Na2Si03比例2.5g:lml配制高溫?zé)o機(jī)膠，再粘接氮化硅套筒和石英套管纏繞的隔熱層，最后用復(fù)合陶瓷螺栓連接加固。按照以上加工方法實(shí)施后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)和熱流試驗(yàn)測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果見下表。a)密度(GB1463-88)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>15126.7128IIO(TC，表面無明顯燒蝕實(shí)施例2艙段熱防護(hù)試驗(yàn)件2，防熱層厚度2mm，隔熱層厚度42mm，其步驟為-l.防熱層制作a)調(diào)制氮化硅粉體。b)壓制用模具對(duì)粉體進(jìn)行壓制成型。c)等靜壓壓制。對(duì)坯料進(jìn)行等靜壓壓制成型，壓力控制150MPa士10MPa。d)燒結(jié)按照燒結(jié)溫度180(TCi3(TC進(jìn)行燒結(jié)成型。e)磨削按照鋁合金基體尺寸配磨削加工至所需尺寸。2.隔熱層制作a)鋁合金艙段表面處理丙酮清洗，噴砂粗化處理。b)涂膠處理后的鋁合金艙段蒙皮表面涂一薄層硅橡膠膠粘劑。c)纏繞成形先按照Al203和Si02:Na2Si03=lg:3ml配制高溫?zé)o機(jī)膠。然后將艙段裝夾到纏繞機(jī)上，將石英纖維套管由內(nèi)向外纏繞到鋁合金艙段的上纏繞參數(shù)第一層內(nèi)環(huán)向纏繞層2a層厚3mm+第二層中間螺旋纏繞層2b厚38mm+第三層外環(huán)向纏繞層厚2c厚15mm濕法纏繞疊加而成，纏繞參數(shù)螺旋纏繞層螺旋角約85°，套管間距3mm。d)固化纏繞好的艙段常溫晾置24小時(shí)，按照80°C/4h+120°C/10h固化。e)切割、磨削至規(guī)定尺寸。3.粘接、螺栓連接先按照Al20^tlSi02:Na2Si03=2.5g:lml配制高溫?zé)o機(jī)膠，再套接氮化硅陶瓷外套筒與石英套管纏繞的隔熱層粘接，最后用復(fù)合陶瓷螺栓連接。按照以上加工方法實(shí)施后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)和熱流試驗(yàn)測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果見下表。A)密度(GB1463-88)名稱指標(biāo)密度0.98g/cm3B)石英隔熱材料性能指標(biāo)名稱指標(biāo)9彎曲強(qiáng)度3550MPa拉伸強(qiáng)度1.52.5MPa彈性模量1320GMPa斷裂應(yīng)變￡t(%)0.020.03線膨脹系數(shù)10,°C(100800°C)2.60一2.75比熱容Cp(J/g'K)(100900°C)1.081,22線燒蝕mm/s0.29熱導(dǎo)率W/nvk(50300°C)0.190.33C)熱流試驗(yàn)編隔熱結(jié)構(gòu)厚時(shí)間Tl(°C)T2(。C)備注號(hào)度t(mm)(min)1288.687加熱溫度是150158182U00°C，表面無明顯燒蝕實(shí)施例3:采取不同厚度，不同間距和不同纏繞參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，內(nèi)環(huán)向纏繞層層厚14mm;中間螺旋纏繞層厚2035mm;外環(huán)向纏繞層厚520mm;中間螺旋纏繞層螺旋角約70°~85。，套管間距14mm。情況如下實(shí)施例表序隔熱結(jié)構(gòu)厚度t纏繞方式螺旋套管間彌iit彎曲強(qiáng)度熱流試驗(yàn)p.(mm)角距mm度(MPa)、7Hffr。廠'120螺旋纏繞70°11.123242140145230環(huán)向纏繞十75°1.51.09324503108螺旋纏繞35環(huán)向纏繞+80。2.50.9630479498螺旋纏繞445環(huán)向纏繞+83°30.9530509295螺旋纏繞10555環(huán)向纏繞十85°40.9230508993螺旋纏繞纏繞方式采用環(huán)向纏繞和螺旋纏繞相結(jié)合，軸向和環(huán)向綜合力學(xué)性能較好；套管間距對(duì)材料的密度、強(qiáng)度、隔熱性能有影響，間距越大，形成的空間網(wǎng)格孔隙越大，密度越低，隔熱效果越好，但強(qiáng)度降低。權(quán)利要求1.一種新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，包括鋁合金基體、隔熱層和防熱層，其特征在于隔熱層(2)是在鋁合金基體(1)上纏繞的多層石英編織的中空套管構(gòu)成的多孔隙交錯(cuò)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；防熱層(3)為氮化硅粉體壓制成的與隔熱層匹配的型體；隔熱層(2)外套接防熱層(3)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于隔熱層(2)的石英編織套管參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)為石英纖維單絲直徑510pm，純度Si02含量299.9。/。以上；套管內(nèi)徑0.5mm1.0mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于-石英編織套管采用濕法纏繞，套管間距14mm;由內(nèi)向外包括內(nèi)環(huán)向纏繞層，厚Hl-l4mm;中間螺旋纏繞層厚H2=2035mm，螺旋角為70。85。；外環(huán)向纏繞層厚H3二520mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2戶誠的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于氮化硅防熱層厚度2醒4腿。5.—種權(quán)利要求14所述的任一新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的制作方法，步驟如下(1)防熱層制作對(duì)氮化硅粉體調(diào)制，壓力壓制預(yù)成型體，再進(jìn)行等靜壓壓制，最后反應(yīng)燒結(jié)而成；(2)隔熱層制作預(yù)處理石英編織的套管，在鋁合金基體上進(jìn)行濕法纏繞石英纖維套管各層，最后進(jìn)行晾置和固化；(3)連接歩驟在氮化硅防熱層和石英隔熱層之間涂上膠粘劑，旋轉(zhuǎn)粘接，再固化，最后用復(fù)合陶瓷螺栓連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于步驟(1)中對(duì)氮化硅材料成型采用等靜壓壓制和反應(yīng)燒結(jié)，壓制壓力為100MPa250MPa，燒結(jié)溫度1500°C1800°C。7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，步驟(l)中對(duì)石英纖維套管濕法纏繞后，在7(TC12(TC溫度固化1214小時(shí)。8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于步驟(3)中氮化硅套筒內(nèi)表面及石英隔熱層外表面均勻涂膠后，旋轉(zhuǎn)粘結(jié)在一起，然后進(jìn)行60'C12(TC/6h固化，最后用復(fù)合陶瓷螺栓連接。9.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于步驟(1)中對(duì)石英纖維套管濕法纏繞后固化纏繞好的艙段常溫晾置24小時(shí)后，按照8(TC/2h、12(TC/10h固化。全文摘要本發(fā)明公開了一種新型無機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)及其制作方法，包括鋁合金基體、隔熱層和防熱層，隔熱層是在鋁合金基體上纏繞的多層石英纖維編織的中空套管構(gòu)成的多孔隙交錯(cuò)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；防熱層為氮化硅粉體壓制成的與隔熱層匹配的型體。石英纖維套管內(nèi)徑0.5mm～1.0mm。石英纖維套管采用濕法纏繞，套管間距1～4mm；由內(nèi)向外包括內(nèi)環(huán)向纏繞層厚H1＝1～4mm，螺旋纏繞層厚H2＝20～35mm，外環(huán)向纏繞層厚H3＝5～20mm；螺旋纏繞層厚纏繞參數(shù)為螺旋角75～85°，層間繞向相反疊加而成。氮化硅防熱層厚度2mm～4mm。文檔編號(hào)B64C1/00GK101648598SQ200910063938公開日2010年2月17日申請(qǐng)日期2009年9月10日優(yōu)先權(quán)日2009年9月10日發(fā)明者佘平江,馮昌文,胡良元,魏小平申請(qǐng)人:國營江北機(jī)械廠