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炭纤维增强高温隔热材料
发布时间: 2022/11/13
  隔热复合材料(亦称烧蚀防热复合材料或耐烧蚀复合材料)能阻滞热流传递,通常是轻质、疏松、多孔且热导率小的材料。习惯上,将热导率小于0.23w/(m·K)的材料称为隔热材料。其功能机理是能在热流作用下发生分解、熔化、蒸发、升华和辐射等多种物理和化学变化,借助材料的质量消耗带走大量热量,以达到阻止热流传人结构内部的目的。隔热复合材料是由于其特有的保温、隔热、隔声及防火性能,而被广泛应用于能源动力、机械制造、石油化工、材料冶金、工业建筑以及交通运输等行业和部门,同时也是航天飞行器和导弹等必不可少的关键材料。
  隔热材料种类繁多,一般可按防热机制、基体类型与密度大小的不同分类。隔热复合材料按其防热机制的不同又分为升华型、熔化型和炭化型三种。升华型主要利用材料在高温下升华气化带走热量,如c/c复合材料,升华温度可达3600℃,该复合材料在舟华前还有强烈的辐射散热作用。熔化型主要利用材料在高温下熔化吸收热量,并进一步利用形成的熔融液态层来阻塞热流,如炭纤维/石英复合材料。石英在高温下熔融形成的液体能很好地黏结炭化层,可起到抗冲刷与防热效果。炭化型主要利用树脂在高温下的炭化吸收热量,进而所形成的炭化层还具有很好辐射散热和阻塞热流作用,如炭纤维/酚醛树脂复合材料、炭纤维/聚酰亚胺树脂复合材料等。
  按所用基体的不同,可将隔热复合材料分为树脂基、炭基和陶瓷基三类。树脂基隔热复合材料具有密度低、成型加工容易等优点,树脂基隔热复合材料的开发导致烧蚀式隔热技术的兴起℃/c隔热复合材料耐烧蚀性能最好,并具有优异的高温力学性能℃/c复合材料是用于2000℃以上隔热结构的唯一备选材料,可耐受高达10000℃的驻点温度。陶瓷基复合材料具有良好的高温力学性能、抗氧化性、耐磨性及隔热性,其工作温度可高达1650℃,但其脆性大,可靠性较差。
  树脂基隔热复合材料按密度大小又可分为低密度和高密度隔热复合材料。低密度隔热复合材料是由轻质填料(如中空玻璃珠、陶瓷珠等)、短切纤维与酚醛树脂、环氧树脂或有机硅树脂等复合而成的隔热材料,其密度可根据要求在0.2~0.79/ cm3变化。低密度隔热材料既利用了树脂基体的耐热性能,又通过加入填料显著提高了材料的隔热性能,适用于低热流和载入时间长的航天器,如轨道式载入的返回式飞船和卫星的热防护蒙皮。“双子星座"密封舱隔热材料和“阿波罗"指挥舱隔热系统都采用了低密度树脂基隔热复合材料。高密度隔热复合材料一般指密度大于1.Og/cm3的隔热复合材料,如纤维增强各种基体的隔热复合材料。常用的高密度树脂基防热复合材料有玻璃纤维/酚醛树脂、高硅氧纤维/酚醛树脂、炭纤维/酚醛树脂及炭纤维/聚酰亚胺树脂等复合材料。
  高温隔热材料于1928年在美国和西欧问世,得到迅速的推广和使用。目前很多隔热材料都只能满足在16000C以下使用,而且仅仅起到隔热作用,因此开发使用温度高、“结构一功能”一体化并能满足金属、非金属及其制品的高温热处理工艺要求的轻质高强隔热材料意义重大。
  目前很多科技工作者都致力于研究在高温(1800℃以上)使用的高性能隔热材料,而高性能隔热材料应具有如下特点:
  ①使用温度高(1800℃以上),隔热性能好,有明显节能效果;
  ②热导率低,热容量小,热效率高,炉子循环操作短,节省成本;
  ③生产成本低,不易粉化,不污染炉内环境;
  ④稳定性好,耐热变形和抗热震能力强,使用寿命长;
  ⑤轻质高强、韧性好,能够实现结构一功能的一体化;
  ⑥硬质材料,可做成需要的几何形状,安装使用方便,易于更换。
  由于隔热材料是通过引入气孔的方式来获得低热导率,引入大量气孔导致隔热材料重烧线收缩率提高、荷重软化温度降低、高温蠕变严重且耐压强度降低,从而使隔热材料的使用温度很难提高,并且使应用范围受到限制,因此寻找新的隔热材料和制备方法一直是各国相关研究者的工作重点。现有各种材质的隔热材料中,炭素质隔热材料品种较多、使用温度高且隔热节能效果好,是当今重点发展的隔热材料。
 
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