本發(fā)明涉及一種金屬表面用熱防護涂層材料的結(jié)構，尤其是涉及一種用于火箭發(fā)射臺表面涂覆的降低火箭發(fā)射臺背溫的熱防護涂層材料的結(jié)構及其應用，屬于耐高溫絕熱防護領域。
背景技術：
隨著航天、宇航事業(yè)的發(fā)展，熱防護涂層材料開拓了新的應用領域。除了飛行器本身的熱防護外，國內(nèi)對地面設施如火箭發(fā)射臺也增加了熱防護措施。如果將火箭發(fā)射臺涂以熱防護涂層材料，可使金屬表面隔熱，減少熱燒蝕和熱沖擊，并防止火箭發(fā)射臺在多次熱沖擊載荷作用下產(chǎn)生熱疲勞、熱龜裂和熱斷裂，從而確?；鸺l(fā)射臺工作的可靠性，延長火箭發(fā)射臺的使用壽命。在國外，歐洲航天局位于南美圭亞那的阿里安火箭發(fā)射平臺為混凝土發(fā)射平臺，這類由無機非金屬材料構筑的發(fā)射臺抗燃氣吹掃燒蝕性能比有機燒蝕涂料好，但缺點是厚度厚，重量重，并且發(fā)射臺無法進行移動。
利用專門的熱防護涂層材料和結(jié)構可以對火箭發(fā)射臺進行熱防護，這種熱防護涂層材料不但起到了保護火箭發(fā)射臺的作用，還解決了全部由無機非金屬材料構筑發(fā)射臺導致的重量重、無法移動的問題。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種能夠承受火箭尾焰吹掃，金屬背溫不超過150℃的熱防護涂層材料的結(jié)構，該熱防護涂層材料的結(jié)構能夠作為熱防護措施應用于火箭發(fā)射臺表面。
本發(fā)明的技術方案為：
一種金屬表面用熱防護涂層材料的結(jié)構，具體為：于基底表面依次設置有機底層、耐火輕質(zhì)骨料和無機表層，其中，所述耐火輕質(zhì)骨料一部分鑲嵌在有機底層中，一部分鑲嵌在無機表層之中，耐火輕質(zhì)骨料穿插在有機底層和無機表層中形成“釘扎”結(jié)構。
按質(zhì)量比計，有機底層由環(huán)氧樹脂65～80％(優(yōu)選為65～75％)、固化劑聚酰胺10～20％(優(yōu)選為15～20％)、增韌劑液態(tài)橡膠5～20％(優(yōu)選為8～13％)組成；
所述的環(huán)氧樹脂為雙酚a縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂、雙酚f環(huán)氧樹脂、雙酚s環(huán)氧樹脂、鹵代雙酚a型環(huán)氧樹脂、氫化雙酚a環(huán)氧樹脂、雙酚ad型環(huán)氧樹脂、羥甲基雙酚a環(huán)氧樹脂中的一種或兩種以上，環(huán)氧值范圍0.2～0.6。
所述的增韌劑液體橡膠為二烯類液體橡膠、鏈烯烴類液體橡膠、聚氨酯類液體橡膠、液體硅橡膠、液體聚硫橡膠、液體氟橡膠中的一種或兩種以上，數(shù)均分 子量范圍為3000～6000。
耐火輕質(zhì)骨料耐火度不小于1200℃，al2o3含量為10％～55％，耐火輕質(zhì)骨料的目數(shù)為6～35目。
在本發(fā)明中耐火輕質(zhì)骨料鑲嵌在有機底層和無機表層中間，可使得兩層的連接更加緊密，同時，對耐火輕質(zhì)骨料的要求為能夠耐受高溫，由于骨料未暴露于表面，因此對骨料的要求為可以耐受一定高溫即可，優(yōu)選耐火溫度為不小于1200℃，同時，考慮到成本的要求，耐火輕質(zhì)骨料優(yōu)選于頁巖陶粒、粘土陶粒、膨脹珍珠巖中的一種或兩種以上，但這并不限制對耐火輕質(zhì)骨料的選擇。
無機表層是由水玻璃、固化劑氟硅酸鈉、填料沙子和水泥組成，其中，按質(zhì)量比計，水玻璃20～40％，固化劑氟硅酸鈉2～10％，填料沙子20～60％，填料水泥10～30％。
水玻璃的模數(shù)為1.5～3，優(yōu)選模數(shù)為2～3；所述沙子為過35目篩后的篩下組份。
耐火輕質(zhì)骨料的質(zhì)量與有機底層的質(zhì)量比為1∶(0.2～0.8)。
熱防護涂層材料結(jié)構的制備：
有機底層的制備：將環(huán)氧樹脂、固化劑聚酰胺、增韌劑液態(tài)橡膠混合后，涂覆在基底表面上；
耐火輕質(zhì)骨料中間層的制備：將耐火輕質(zhì)骨料均勻鋪撒粘貼在有機底層上；
無機表層的制備：首先將填料沙子和水泥混合均勻，再添加到水玻璃和固化劑氟硅酸鈉的混合液中，得到無機表層材料，將無機表層材料涂覆在耐火輕質(zhì)骨料之上。
無機表層的制備：首先將填料沙子和水泥按照(2～4)∶1的質(zhì)量比例混合均勻，再添加到質(zhì)量比例為(8～12)∶1的水玻璃和固化劑氟硅酸鈉混合液中，填料沙子和水泥：水玻璃和固化劑氟硅酸鈉混合液的質(zhì)量比＝(0.8～4)∶1。
有機底層的厚度為2～6mm；無機表層的厚度為3～14mm；熱防護涂層材料有機底層、耐火輕質(zhì)骨料和無機表層總厚度為5～20mm。
本發(fā)明還提供上述熱防護涂層材料的結(jié)構用于金屬表面作為熱防護涂層，具體為：于金屬表面依次設置有機底層、耐火輕質(zhì)骨料、無機表層，其中，所述耐火輕質(zhì)骨料一部分鑲嵌在有機底層中，一部分鑲嵌在無機表層之中。
所述金屬表面為火箭發(fā)射臺的外表面。
本發(fā)明的有益效果：
本發(fā)明提供一種熱防護涂層的結(jié)構，所述熱防護涂層結(jié)構由有機底層、耐火輕質(zhì)骨料和無機表層組成，其中，耐火輕質(zhì)骨料一部分鑲嵌在有機底層中，一部分鑲嵌在無機表層之中，形成“釘扎”結(jié)構。該結(jié)構采用耐火度高、隔熱效果好的耐火輕質(zhì)骨料顆粒作為第二層材料連接有機底層和無機表層，當有機底層和無機表層兩層材料固化后，耐火輕質(zhì)骨料起到物理上的“釘扎”作用，這種“釘扎” 結(jié)構能更好的起到連結(jié)上下兩層材料的作用，使材料更好的成為一個整體結(jié)構。
本發(fā)明應用時，將有機底層、耐火輕質(zhì)骨料和無機表層依次涂覆在火箭發(fā)射臺上，由于本發(fā)明表層材料的組成為水玻璃、固化劑氟硅酸鈉、填料沙子和水泥的混合物，具有流動性，因此特別適用于火箭發(fā)射臺的平面結(jié)構。其中所用水玻璃具有粘結(jié)力強，強度較高，耐熱性好等特點。水玻璃在使用時，必須加入固化劑氟硅酸鈉才能使水玻璃硬化。水泥和沙子的引入，一方面可以進一步增強無機表層的耐熱性能，一方面也可以增加無機表層的強度。當火箭發(fā)射升空時，涂層受到燃氣流的高溫以及高速的沖刷，涂層的表層材料由于是無機耐高溫材料，這種無機材料能夠耐燒蝕并且耐沖刷，因此起到了隔熱作用。本發(fā)明所述涂層材料的瞬間耐熱溫度為2500℃，本發(fā)明所述熱防護涂層材料結(jié)構將大大減少金屬基體的熱燒蝕和熱沖擊，使得金屬背溫更低、更隔熱，火箭發(fā)射后涂層脫落面積更小，從而有效地對火箭發(fā)射臺起到熱防護作用。
附圖說明
圖1為熱防護涂層材料的結(jié)構示意圖，圖中：1-鋼板2-有機底層3-耐火輕質(zhì)骨料4-無機表層。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例和附圖來進一步描述本發(fā)明，但不限制本發(fā)明所要保護的范圍。
本發(fā)明實施例所用到的原料都可以從市場購買得到，其規(guī)格符合行業(yè)標準。水泥：型號為425硅酸鹽水泥，生產(chǎn)廠家是鄭州登峰熔料有限公司。環(huán)氧樹脂：型號為sm828，固化劑聚酰胺：型號為650，生產(chǎn)廠家是無錫光明化工有限公司。增韌劑液態(tài)橡膠：型號為數(shù)均分子量4000，生產(chǎn)廠家是大連金州盛達橡塑制品有限公司。水玻璃：模數(shù)為3，生產(chǎn)廠家是浙江嘉善縣涇化化工廠。固化劑氟硅酸鈉：過28目篩，生產(chǎn)廠家是遼陽化工廠。耐火輕質(zhì)骨料：6～35目，生產(chǎn)廠家是淄博寶石窯爐材料有限公司。
實施例1熱防護涂層材料的制備
1.有機底層的制備：將環(huán)氧樹脂sm828、固化劑聚酰胺650、增韌劑液態(tài)橡膠按照7∶2∶1比例混合后，涂覆在除銹、除漆后的190×120×5mm的鋼板上，涂覆厚度為2mm。
2.耐火輕質(zhì)骨料中間層的制備：將6～35目的耐火輕質(zhì)骨料均勻鋪撒粘貼在有機底層上，耐火輕質(zhì)骨料的質(zhì)量與有機底層的質(zhì)量比1∶0.3。
3.無機表層的制備：首先將填料沙子和水泥按照2∶1的質(zhì)量比例混合均勻，再添加到水玻璃(m＝3)和固化劑氟硅酸鈉按照10∶1質(zhì)量比例的混合液中，填料沙子和水泥：含固化劑的水玻璃的質(zhì)量比＝1∶1。將表層材料涂覆在耐火輕質(zhì)骨料之上，涂覆厚度為8mm，制備總厚度為10mm的熱防護涂層。對金屬鋼板上熱防護涂層材料隔熱的熱防護效果進行試驗：
采用ya6804型氧氣煤油發(fā)動機對試樣進行試驗件背面溫度的測試，試樣為金屬鋼板一側(cè)涂有熱防護涂層材料，不帶有涂層的金屬面為背面。試驗條件：發(fā)動機燃燒室壓力：pc＝1.4±0.05mpa；發(fā)動機余氧系數(shù)：α＝0.7±0.03；發(fā)動機噴口直徑：65mm；發(fā)動機燃料：氧氣、煤油；燃氣流出口流速：2390m/s；燃氣流出口溫度：2210k；燒蝕試驗時間：5s/件。試驗條件為模擬火箭發(fā)射時的尾焰吹掃情況，火焰吹掃涂有耐高溫涂層材料一側(cè)的金屬鋼板。測試金屬鋼板的背面溫度。10mm涂層厚的金屬件背面溫度測量結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，涂覆10mm涂層厚的試樣的背溫為78.6℃。試驗結(jié)果表明，本發(fā)明的熱防護涂層材料與結(jié)構具有良好的隔熱性能，并且保護了金屬底材。
表110mm熱防護涂層材料試樣的背面溫度測量結(jié)果
實施例2熱防護涂層材料的制備
1.有機底層的制備：將環(huán)氧樹脂sm828、固化劑聚酰胺650、增韌劑液態(tài)橡膠按照7∶2∶1比例混合后，涂覆在除銹、除漆后的190×120×5mm的鋼板上，涂覆厚度為4mm。
2.耐火輕質(zhì)骨料中間層的制備：將6～35目的耐火輕質(zhì)骨料均勻鋪撒粘貼在有機底層上，耐火輕質(zhì)骨料的質(zhì)量與有機底層的質(zhì)量比1∶0.4。
3.無機表層的制備：首先將填料沙子和水泥按照2.5∶1的質(zhì)量比例混合均勻，再添加到水玻璃(m＝3)和固化劑氟硅酸鈉按照10∶1質(zhì)量比例的混合液中，填料沙子和水泥：含固化劑的水玻璃的質(zhì)量比＝1∶1。將表層材料涂覆在耐火輕質(zhì)骨料之上，涂覆厚度為16mm，制備總厚度為20mm的熱防護涂層。
對金屬鋼板上耐高溫涂層材料隔熱的熱防護效果進行試驗：
采用ya6804型氧氣煤油發(fā)動機對試樣進行試驗件背面溫度的測試，試樣為金屬鋼板一側(cè)涂有耐高溫涂層材料，不帶有涂層的金屬面為背面。試驗條件：發(fā)動機燃燒室壓力：pc＝1.4±0.05mpa；發(fā)動機余氧系數(shù)：α＝0.7±0.03；發(fā)動機噴口直徑：65mm；發(fā)動機燃料：氧氣、煤油；燃氣流出口流速：2390m/s；燃氣流出口溫度：2210k；燒蝕試驗時間：10s/件。試驗條件為模擬火箭發(fā)射時的尾焰吹掃情況，火焰吹掃涂有耐高溫涂層材料一側(cè)的金屬鋼板。測試金屬鋼板的背面溫度。20mm涂層厚的金屬件背面溫度測量結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，涂覆20mm涂層厚的試樣的背溫為84.4℃。試驗結(jié)果表明，本發(fā)明的耐高溫涂 層材料與結(jié)構具有良好的隔熱性能，并且保護了金屬底材。
表220mm熱防護涂層材料試樣的背面溫度測量結(jié)果