專利名稱：：一種新型無機熱防護結(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熱防護結(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結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
：高超音速機動飛行器由于需在大氣層內(nèi)長時間高超音速飛行，飛行器的熱防護技術(shù)將是必須解決的一項重大的關(guān)鍵技術(shù)，它與傳統(tǒng)的熱防護技術(shù)有著很大的區(qū)別，高超音速機動飛行器高速飛行過程中，氣動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動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防熱材料進行防護。保證彈體在飛行時的良好的氣動外形和表面熱防護已成為高超音速機動飛行器熱防護發(fā)展趨勢。我國戰(zhàn)略彈頭的熱防護技術(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，但由于其外形簡單，再進入時間短(一般為30秒左右)，采用燒蝕型熱防護能有效的解決其熱障問題，但是高超音速機動飛行器外形極為復(fù)雜，熱環(huán)境為中等熱流、長時間，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)計無法達到預(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)、廉價三個條件。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于提供用于高超音速機動飛行器用的新型無機熱防護結(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)明的新型無機熱防護結(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。所述的新型無機熱防護結(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。新型無機熱防護結(jié)構(gòu)的制作方法，步驟如下(1)防熱層制作對氮化硅粉體調(diào)制，壓力壓制預(yù)成型體，再進行等靜壓壓制，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，在鋁合金基體上進行濕法纏繞石英纖維套管各層，最后進行晾置和固化；(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。所述的新型無機熱防護結(jié)構(gòu)的制作方法，步驟(1)中對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。所述的新型無機熱防護結(jié)構(gòu)的制作方法，其歩驟(1)中對石英纖維套管濕法纏繞后，在7(TC12(TC溫度固化1214小時。所述的新型無機熱防護結(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。所述的新型無機熱防護結(jié)構(gòu)的制作方法，其步驟(1)中對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)明新型無機防熱結(jié)構(gòu)平均密度低，強度好，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，強度高；石英纖維套管釆用濕法纏繞而成，成型方法簡單快捷，材料密度低，彎曲強度值高，熱導(dǎo)率低、比熱容大、線膨脹、材料線燒蝕指標(biāo)達到預(yù)期設(shè)計要求。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、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的氣動加熱環(huán)境要求，良好的氣動外形保證了精確的打擊精度。(2)采用石英纖維套管進行隔熱，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，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，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，工藝上簡單、成熟，通過改變纏繞參數(shù)，加工出多孔隙交錯的空間網(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)成的多孔隙交錯的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施例方式如圖l:本發(fā)明的新型無機熱防護結(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)明的新型無機熱防護結(jié)構(gòu)的制作方法步驟如下(1)防熱層制作對氮化硅粉體調(diào)制，壓力壓制預(yù)成型體，再進行等靜壓壓制，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，在鋁合金基體上進行濕法纏繞石英纖維套管各層，最后進行晾置和固化；(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，然后進行6(TC12(TC/6h固化，最后用復(fù)合陶瓷螺栓連接。實施例l:新型無機熱防護結(jié)構(gòu)艙段防熱試驗件，其歩驟為1.防熱層制作a)調(diào)制氮化硅粉體。b)壓制用模具對粉體進行壓制成型。C)等靜壓壓制對坯料進行等靜壓壓制，對坯料進行等靜壓壓制成型，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機膠水，石英纖維套管蘸高溫?zé)o機膠水，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施后，進行結(jié)構(gòu)性能檢測和熱流試驗測試，檢測結(jié)果見下表。a)密度(GB1463-88)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>15126.7128IIO(TC，表面無明顯燒蝕實施例2艙段熱防護試驗件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)壓制用模具對粉體進行壓制成型。c)等靜壓壓制。對坯料進行等靜壓壓制成型，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機膠。然后將艙段裝夾到纏繞機上，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，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施后，進行結(jié)構(gòu)性能檢測和熱流試驗測試，檢測結(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彎曲強度3550MPa拉伸強度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)熱流試驗編隔熱結(jié)構(gòu)厚時間Tl(°C)T2(。C)備注號度t(mm)(min)1288.687加熱溫度是150158182U00°C，表面無明顯燒蝕實施例3:采取不同厚度，不同間距和不同纏繞參數(shù)進行試驗，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彎曲強度熱流試驗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；套管間距對材料的密度、強度、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，但強度降低。權(quán)利要求1.一種新型無機熱防護結(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所述的新型無機熱防護結(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所述的新型無機熱防護結(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戶誠的新型無機熱防護結(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熱防護結(jié)構(gòu)的制作方法，步驟如下(1)防熱層制作對氮化硅粉體調(diào)制，壓力壓制預(yù)成型體，再進行等靜壓壓制，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，在鋁合金基體上進行濕法纏繞石英纖維套管各層，最后進行晾置和固化；(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所述的新型無機熱防護結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于步驟(1)中對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所述的新型無機熱防護結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，步驟(l)中對石英纖維套管濕法纏繞后，在7(TC12(TC溫度固化1214小時。8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的新型無機熱防護結(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所述的新型無機熱防護結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于步驟(1)中對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熱防護結(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B64C1/00GK101648598SQ200910063938公開日2010年2月17日申請日期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,魏小平申請人:國營江北機械廠