氣凝膠絕緣面板及其制造
【專利說明】
[0001] 關于聯(lián)邦政府贊助研究或開發(fā)的聲明
[0002] 本發(fā)明由政府支持，由DARPA資助，在W31P4Q-10-C-0209合約下完成。政府擁有 本發(fā)明的某些權利。
技術領域
[0003] 本發(fā)明關于可用于航空航天應用中的層壓面板。該面板包括聚酷亞胺系氣凝膠 層、至少一層表皮（facesheet)層、W及在該表皮上的反射保護層。
【背景技術】
[0004] 本發(fā)明針對層壓面板，其包括聚酷亞胺系氣凝膠層、至少一層表皮層、W及位于該 表皮上的反射保護層。該氣凝膠層起絕緣和結構上支撐該面板兩種作用。
[0005] 航空航天面板難W設計和生產(chǎn)。航空航天旅行天然地要求面板材料上的環(huán)境應力 遠高于那些材料在典型應用中面對的應力。因此，在設計航空航天面板中使用的材料必須 具有足W承受那些壓力環(huán)境中極端條件的耐久性。航空航天旅行也天然地需要盡可能輕質 的面板材料。運些材料在密度和重量上的微小差異可能對面板的功能性W及航空航天裝置 整體功能性和能量效率產(chǎn)生顯著影響。因此，必須選擇航空航天面板中的結構性材料和絕 緣材料，并將其優(yōu)化用于航空航天旅行中發(fā)現(xiàn)的特殊挑戰(zhàn)。
[0006] 氣凝膠復合材料具有的物理性質和化學性質可潛在地優(yōu)化W承受航空航天面板 設計的需求。氣凝膠掲示了基于其結構的一類材料；即表面積大（一般為900m2/g或更高） 且孔徑小于納米規(guī)格的低密度開孔結構?？赏ㄟ^W空氣替換濕凝膠中的液體溶劑而基本不 改變或崩毀網(wǎng)狀結構（如，孔特征）或凝膠體的體積，從而制備氣凝膠。使用超臨界和亞臨 界流體萃取技術自該凝膠萃取流體，而不造成孔的崩毀。已知多種不同的無機和有機氣凝 膠組合物。無機氣凝膠通常基于金屬玩氧化物，且包括諸如氧化娃、碳化物和氧化侶的材 料。有機氣凝膠包括碳氣凝膠和聚合性氣凝膠如聚酷亞胺。
[0007] 氣凝膠主要通過最小化傳導（低密度、曲折路徑用于熱轉移通過該納米結構）、對 流（非常小的孔徑最小化了對流）和福射（IR抑制滲雜進可輕易分散于整個氣凝膠基質 中）而起熱絕緣體的功能。依據(jù)其配方，氣凝膠可在550°C及W上的溫度起作用。廣泛認 為，低至中密度氣凝膠材料（典型為約0.Olg/cm至約0. 3g/cm的范圍）是最好的固體熱絕 緣體，且在37.8°C和大氣壓力下具有約12mW/m-K及W下的熱導率。
[0008] 也可W在生產(chǎn)過程中W纖維增強氣凝膠，W提供顯著的結構穩(wěn)定性和回彈性，尤 其是在高曉曲應變應用中。氣凝膠薄片（典型為約0.1mm與約25mm之間）的曉曲令大片 氣凝膠組合物的制造成為可能，該組合物保留氣凝膠的大部分有用品質如低密度和低熱導 率。
[0009] 因此，對于具有容許航空航天面板的優(yōu)化設計和制造的強度、熱導率和密度性質 的結構性和絕緣材料存在需求。具體地，對于具有容許航空航天面板的有效設計和制造的 強度、熱導率和密度性質的優(yōu)化氣凝膠材料存在需求。對于有效合并該優(yōu)化氣凝膠材料的 層壓航空航天面板也存在需求。

【發(fā)明內容】

[0010] 本發(fā)明掲示一種層壓面板，包含（a)具有兩個主面的聚酷亞胺系氣凝膠層；化）位 于該氣凝膠層至少一個主面上的表皮；W及（C)與該表皮相鄰的反射層。該面板可在該氣 凝膠層的兩個主面上均包括表皮。該面板可額外包括邊封W密封該面板的邊緣。該面板可 包含穿透或未穿透該面板的至少一個孔，W便于固定。
[0011] 該面板包括聚酷亞胺系氣凝膠層。本發(fā)明中使用的聚酷亞胺系氣凝膠可被碳化。 碳化可通過在高溫及惰性氣氛中熱解而進行。本發(fā)明中使用的碳化形式的氣凝膠可具有0 與20%之間的氮含量。本發(fā)明中使用的氣凝膠也可含有氧化娃組分。運些氧化娃組分可 W是與聚酷亞胺的物理混合物或共價鏈接至氧化娃。該氣凝膠層也可使用纖維增強。該氣 凝膠可包含遮光劑，如二氧化鐵、碳化娃、碳黑、石墨、憐酸鹽、棚酸鹽、金屬娃酸鹽、茂金屬、 鋼酸鹽、錫酸鹽、氨氧化物、碳酸鹽、氧化鋒、氧化侶、氧化錬、儀-鋒滲混物、儀-鋒-錬滲混 物、或其組合。
[0012] 該氣凝膠層可包含具有特定物理和化學性質的聚酷亞胺系氣凝膠。具體地，本發(fā) 明的氣凝膠層可具有曉曲強度、曉曲模量、密度和熱導率的特定組合。該氣凝膠材料的曉曲 強度為，若未失敗，至少15化si、至少20化si、或至少25化si。該氣凝膠材料的曉曲模量可 為，若未失敗，至少5000psi，至少200(K)psi，或至少400(K)psi。該氣凝膠材料的密度可為低 于0. 25g/cc、低于0. 15g/cc、或低于0.lOg/cc。該氣凝膠材料在常溫常壓下的熱導率可為 低于40mW/m-K、低于30mW/m-K、或低于20mW/m-K。該氣凝膠材料在常溫及10 %真空下的 熱導率為低于lOmW/m-K，低于5mW/m-K，或低于3mW/m-K。
[0013] 該面板包括位于該氣凝膠層至少一個主面上的表皮。一個具體實施例中，該面板 包括位于該氣凝膠層兩個主面上的表皮。另一具體實施例中，該表皮包含石墨氯酸醋表皮。
[0014] 該面板包括與表皮相鄰的反射層。該反射層反射至少一個頻率的入射能量。一個 具體實施例中，該反射層覆蓋該表皮的全部。另一具體實施例中，該反射層保護該面板不通 過反射可潛在損壞該面板的至少一個頻率的入射能量而被損壞。該反射層可包含銀聚四氣 乙締涂覆材料。
[0015] 該面板可包括至少一個令空氣流入和流出該面板的通氣口。該面板可包括至少一 個過濾顆粒物質的過濾器。一個具體實施例中，該面板包括令空氣流入和流出該面板的通 氣口，W及位于該通氣口上的將顆粒物質保持在該面板內的顆粒過濾器。另一具體實施例 中，該面板包括邊封，該邊封包括至少一個通氣口和至少一個顆粒過濾器。又一具體實施例 中，該面板包括邊封，該邊封包括至少一個通氣口和至少一個顆粒過濾器，其中，該邊封中 的通氣口令空氣流入和流出該面板邊緣，W及，其中，該過濾器捕捉并保留流動空氣中的顆 粒物質，W防止顆粒物質污染該面板外的空氣。
[0016] 本發(fā)明還提供制造層壓面板的方法，包含步驟：(a)提供具有兩個主面的聚酷亞 胺氣凝膠層；化）將表皮粘附至該氣凝膠層的至少一個主面；W及（C)將反射層粘附至該表 皮。本發(fā)明的面板可在邊緣處密封?？苫诙喾N原因提供至少一個穿透該面板的孔，包括 結構件的適應性。運些孔并非必須穿透該面板的全部厚度，且可令使用固定件或螺桿低將 該面板簡單地粘附至其它構件成為可能。
[0017] 一個具體實施例中，本發(fā)明包含具有下列的氣凝膠絕緣層：(a)密度為0. 20g/cc 或更低，0. 15g/cc或更低，或0.lOg/cc或更低；(b)常溫常壓下的熱導率為30mW/m-K或更 低，25mW/m-K或更低，20mW/m-K或更低，或15mW/m-K或更低；（C)曉曲強度為150psi或更 大，200psi或更大，或25化si或更大；W及（d)曉曲模量為5000psi或更大，20000psi或更 大，或400(K)psi或更大。該氣凝膠絕緣層在常溫及105托真空下的熱導率也可為lOmW/m-K 或更低，5mW/m-K或更低，或3mW/m-K或更低。
[0018] 另一具體實施例中，該氣凝膠絕緣層包含聚酷亞胺氣凝膠或其衍生物。該氣凝膠 絕緣層也可W是纖維增強氣凝膠。
[0019] 再一具體實施例中，本發(fā)明包含層壓面板，包含：(a)具有至少兩個主面的氣凝膠 層；化）與該氣凝膠層的至少一個主面相鄰的表皮；W及（C)與該表皮相鄰的反射層。該面 板可包括與該氣凝膠層第一主面相鄰的第一表皮，W及該氣凝膠層第二主面相鄰的第二表 皮。該面板也可通過至少一個邊封在邊緣處密封。
[0020] 再一具體實施例中，該面板包括至少一個通氣口和至少一個通氣口過濾器。該面 板也可包括邊封，該邊封包括至少一個通氣口和至少一個通氣口過濾器。
【附圖說明】
[0021] 圖1例示性說明作成聚酷亞胺的合成方案。
[0022] 圖2例示性說明多種聚酷亞胺氣凝膠形式參數(shù)：整塊材料、模塑整塊材料、機械加 工的整塊材料、不透明化的整塊材料、和纖維增強材料。
[0023] 圖3例示性說明濕聚酷亞胺凝膠的壓縮強度和膠凝時間對催化劑密度。
[0024] 圖4掲示非碳化的未經(jīng)處理（g)及經(jīng)退火的（a)碳不透明化PI氣凝膠整塊材料。 [00巧]圖5例示性說明，對于經(jīng)不透明或和未經(jīng)不透明化的PI氣凝膠，熱導率對最終密 度的曲線。
[0026]圖6例示性說明在單軸壓縮之前和之后的聚酷亞胺氣凝膠整塊材料。
[0027] 圖7例示性說明，對于聚酷亞胺氣凝膠整塊材料，壓縮強度對應變數(shù)據(jù)的曲線。
[0028]圖8例示性說明，對于聚酷亞胺、氧化娃、和氧化娃雜化氣凝膠整塊材料，壓縮模 量對密度的曲線。
[0029] 圖9例示性說明PI增強氣凝膠的圖。