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耐高温透波气凝胶复合材料性能

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耐高温透波气凝胶复合材料性能 张丽娟 王 洋 李文静 金兆国 100074) 刘 斌 (航天特种材料及工艺技术研究所,北京文摘针对高马赫数飞行器中恶劣热环境对透波隔热材料的需求,采用溶胶一凝胶方法,以透波型石英 纤维为增强体,通过超临界干燥及后处理制备透波二氧化硅气凝胶复合材料;并采用扫描电子显微镜、平板导 热仪、石英灯辐射加热及万能电子试验机等手段对材料的微观形貌结构、隔热性能、耐温性及力学性能进行了 表征。结果表明:二氧化硅透波气凝胶复合材料有良好的介电性能,介电常数在1.28~1.39可调、损耗角正切 ≤0.005:耐温性≥1 100℃、室温热导率≤O.02 w/(m・K);具有较好的力学性能,能保证飞行器在恶劣飞行环 境中的通讯、遥测、制导等系统的正常工作。 关键词耐高温,透波,气凝胶,介电性能 DOI:10.3969/j.issn.1007—2330.2015.04.011 中图分类号:V19 Properties of High Temperature Resistant Wave—Transparent Aerogels Composites ZHANG Lijuan WANG Yang LI Wenjing JIN Zhaoguo LIU Bin (Research Institute of Aerospace Special Materials and Processing Technology,Beijing 100074) Abstract For the need of wave-transparent and the heat resistant materials of the flight vehicle in hi gh march number severe thermal environment,aerogels composites were prepared via sol—gel process and supercritical CO2 dr- ying process and the post—processing that were obtained using wave—rtansparent quartz ifbers as reinforcement and sili— ca sol as precursor.Micro-structure and morphology,thermal insulation properties,thermostability,mechanical proper— ty were studied by SEM,plane wave thermal conducticity,the quartz radiation heating system,univeral testing much— ire.The result indicated lfexible SiO2 wave—transparent aerogels composites has greater dielectric properties,the dielec- tric constant could be adjusted in 1.28 to 1.39,the tan8 is less than 0.005,the thermostability is greater than 1 100oC,the thermal conductivity is less than 0.02 W/(m・K).It also has better mechanical prope ̄y,which could make the flight vehicle work normally of communication,telemetry and control in severely flying environment. Key words Thermostability,Wave—transparent,Aerogels,Dielectric properties 0引言 干燥及防潮处理工艺制备耐高温且高温透波性能优 良的气凝胶隔热复合材料。 1实验 随着人们对未来战争认识观念的变化,世界各国 对高马赫数飞行器的发展和研究越来越重视。飞行 器上的透波天线罩体或天线窗口受到严重的气动加 1.1材料 热且承受时间越来越长,为保证飞行器内通讯设备正 常工作,需在罩体或透波窗口内部增设一种高效隔热 兼具高温透波功能的隔热复合材料 。 目前国内外隔热材料主要是以正硅酸乙酯为硅 石英纤维,湖北菲力华石英有限公司;催化剂,市 售;SiO2溶胶,自制。 1.2仪器设备 Hitachi S-5500扫描电子显微镜,Zeiss(蔡司)公 源,制备纤维增强气凝胶复合材料,但其高温稳定性、 隔热性能及透波率不能满足需求,本文以透波型石英 纤维为增强体,采用溶胶一凝胶法、超临界二氧化碳 收稿日期:2015一o4—20 司(merlin vp compact);Autosorb AS一1气体吸附测定 仪,美国麦克仪器公司(ASAP2420);热膨胀分析仪 (型号DIL402PC),耐驰公司;透波材料高温介电性 作者简介:张丽娟,1985年出生,工程师,主要从事透波气凝胶隔热材料研究。E—mail:zhanglijuan0913@126.conl 宇航材料工艺http:∥www.yhcly.colgn 2015年第4期 的降低,比表面积的变化不大,可能是因为生成气凝 理论分析,材料的热胀系数与其晶体结构及键强度密 胶的纳米颗粒连接方式相同,单位质量气凝胶的纳米 切相关;由于点阵结构中的质点间平均距离随温度升 颗粒数量是相近的,所以比表面积不随固含量的变化 高而增大,固体材料受热以后晶体振动加强,因而引 而发生较大变化,说明纳米网络结构未发生明显变 起体积增大,在高温条件下,晶格振动的激化会造成 化;但升温到1 200 ̄C时,比表面积明显下降,可能是 线胀系数的增大,因此导致隔热材料的平面方向的线 纳米网络结构破坏。综上,表明该气凝胶材料在1 胀系数随温度的升高而增大 j。对于隔热材料的 100℃之前表现出较好的高温稳定性。 厚度方向的线胀系数先增大后减小,线胀系数在 由于隔热复合材料的耐温性取决于纤维增强基 100℃时为1.69×10 /K),1 000℃时为一11.13× 体和气凝胶的耐温性,石英纤维的使用温度能达到1 10 /K),分析认为在高温段SiO 气凝胶本身的影响 200 ̄C,将隔热复合材料制成样件进行高温热处理,测 占主导作用,由于气凝胶高温条件下会发生收缩及进 试其不同温度下的线胀系数。由图5(a)可知,随温 一步缩聚反应,导致线胀系数下降。但是总体变化很 度升高呈现出不断增大的趋势,线胀系数由2.75× 小,说明隔热材料的高温稳定性较好。 10咱/K(100℃)增加到4.28 ̄10 /K(1 000℃),根据 (a)xy平面方向 (b)厚度方向 图5线胀系数随温度变化曲线 Fig.5 Curves of coefifcient of linear expansion vs temperature 2.3透波气凝胶复合材料的介电性能 电常数变化很小。图7中透波隔热材料的损耗角正 石英纤维增强的SiO:气凝胶复合材料具有优异 切都是随温度的升高先下降后上升的,但是总体低于 的介电性能,其介电常数几乎不随温度升高而升高, 6×l0~。通过以上分析可知:石英纤维增强的气凝胶 其损耗角正切随着温度的升高而降低。图6为不同 隔热材料具有很低的介电常数,损耗角正切也很小, 密度的石英纤维增强气凝胶复合材料在不同温度下 因此,其透波性能优异。 的介电常数。 温度,℃ 图7损耗角正切随温度的变化曲线 t/ Fig.7 Curves of tan3 vs temperature 图6介电常数随温度的变化曲线 2.4透波气凝胶复合材料的隔热性能 Fig.6 Curves of dielectric properties vs temperature 对于气凝胶隔热材料来说:热导率越低,隔热效 可以看出,随着透波隔热材料密度的增大,介电 果越好。气凝胶的热导率由气相热传导、固相热传导 常数由1.30增加到1.38,密度为0.32 g/cm 、0.38 和辐射热传导三部分组成,由于气凝胶内的纳米多孔 s/era。的透波隔热材料,随着温度的升高,介电常数 结构,结构内部气孔的尺寸小于空气分子的平均自由 下降;而低密度的透波隔热材料随着温度的升高,介 程(常温常压下),抑制了气体热传导和对流传热 ]。 宇航材料工艺http:∥www.yhelgy.eom 2015年 第4期 一49— 从图8可以看出,随着温度的升高,气凝胶复合材料 的热导率是不断升高的,但在500℃之前变化速度缓 慢,500%时的热导率为21 mW/(m・K),之后会快速 升高,在800和1 000 ̄C时分别为39 mW/(m・K)和 冷面温度随时间变化曲线;曲线②、③分别为与气凝 胶隔热材料等质量、等厚度的石英纤维毡冷面温度变 化曲线,三者在1 500 S时的冷面温度分别为:156、 234、390℃。对比可以看出,纤维增强气凝胶复合材 61 mW/(m・K)。 温度,℃ 图8热导率随温度的变化曲线 Fig.8 Curve of thermal eonductivities VS temperature 分析可知,在低温段,热导率中固态热传导起主 要作用,但是固态热传导变化较小,由于温度升高促 使分子热运动加快,气态热传导也会增加,空气导热 与绝对温度的平方根成正比,所以低温段热导率变化 较小;而高温阶段,辐射热传导与绝对温度的3次方 成正比,辐射热传导起主要作用 。。,因此,总热导率 随温度的增加而迅速增大。 图9为不同温度下透波气凝胶材料的石英灯辐 射加热考核温度曲线,隔热层厚度为10 mm,热面温 度分别为300、450、750、800、900、1 000℃,石英灯加 热时间为2 500 S。可知:随着热面温度的升高冷面 温度不断升高,加热时间在l 500 S时冷面温度基本 达到了平衡,最终冷面温度分别为96、145、258、268、 357、366℃:由于材料的隔热性能与厚度有关,厚度越 大,隔热效果越好。 赠 时间,目 图9不同温度石英灯辐射加热考核曲线 Fig.9 Curves of quartz lamp heater assessment at diferent temperature 图1O是在800oC、2 50o S石英灯考核条件下的 材料的隔热性能:其中曲线①为透波气凝胶隔热材料 一50一 料的隔热性能明显优于等厚度、等质量的石英纤维基 体。一方面是因为纤维材料虽然有很强的耐温性。但 是随着纤维密度的增大,纤维间的搭接越严重,导致 传热效率提高,使得纤维材料的隔热效果降低;另一 方面气凝胶材料本身有着优异的隔热性能,当复合气 凝胶后其隔热性能明显提高。 理 时间,s 图10 800 ̄C石英灯辐射加热考核曲线 Fig.10 Curves of quartz lamp heater assessment at 800 ̄C 2.5透波气凝胶复合材料的力学性能 气凝胶本身的强度较低,而石英纤维作为复合材 料的增强体,对材料的力学性能有着重要的影响。表 1中为不同温度下材料的拉伸强度和断裂伸长率,可 知,随着温度的升高,材料的拉伸强度不断增大,这是 由于随着温度升高(在1 oo0℃内),气凝胶间纳米颗 粒进一步发生缩聚反应,使得网络骨架交联度更高, 结构更加完善,进而导致拉伸强度不断增加;而材料 的断裂伸长率虽然存在一定起伏,但是变化不大,说 明温度变化对隔热材料的柔韧性影响不大。 表1不同温度下透波隔热材料的拉伸强度和断裂伸长率 Tab.1 Tensile strength and elongation at break at diferent temperatures 3结论 以透波型石英纤维毡为增强体,采用溶胶一凝胶 法,经过溶剂置换,超临界干燥和后处理等最终制得耐 高温透波SiO 气凝胶复合材料,并且对其微观结构、 耐温性、介电性能、隔热性能及力学性能进行了测试分 析,结果表明: (下转第53页) 宇航材料工艺http:∥www.yhelgy.com 2015年第4期 HW-3(20wt%,厚20 m),发射率均为0.44。 盟P,茸 00q8 波隐身的兼容性较好;Hw一3型铝粉涂层的填料质量 分数和涂层厚度均<HW-2铝粉涂层。 3结论 通过考察不同型号的铝粉对红外隐身涂层发射率 及雷达兼容性的影响规律,研制出以粒径为10 m的 片状铝粉(HW一3型)为填料,当其质量分数为30%、 涂层厚度为20 m时,红外发射率达到0.25的红外隐 身涂层。该涂层能能大幅降低材料表面的红外辐射温 度,且对微波隐身兼容性良好,在隐身武器装备领域有 frequencylGHz 较好的应用前景。 图3红外隐身填料种类对微波隐身兼容性的影响 参考文献 Fig.3 Impact of infrared stealth filler types on [1]谷荣亮.红外隐身涂层在导弹上的应用[J].制导与 microwave compatibility 引信,2007,28:53—56 (1)虽然3种涂层的红外发射率相等,但由于铝粉 [2]许鹏承.红外隐身原理及发展[J].红外,2006,27:16 —形貌不同、质量分数不同、厚度不同,对雷达波隐身的 2O [3]党芬.武器装备中的红外隐身技术[J].红外技术, 兼容性也不同; 2006,28:50—53 (2)HW一1型铝粉红外隐身涂层发射率为0.45 [4]王自荣.红外隐身涂料颜料发射率研究[J].上海航 时,铝粉的质量分数和厚度均太大,导致对微波隐身的 天,2000(1):24—26 兼容性较差;Hw一2和Hw一3铝粉红外隐身涂层对微 (编辑吴坚) (上接第50页) (1)SiO 气凝胶从室温到1 100%处理30 min后 特性研究[J].材料工程,1909(12):23—25 比表面积无明显变化,说明该材料在1 100 ̄C之前耐温 [4]董志军,李轩科,袁观明.莫来石纤维增强SiO 气凝胶 性能较好。热导率随温度的升高不断增大,在500℃的 复合材料的制备及性能研究[J].化工新型材料,2006,34(7): 热导率为21 m (m・K),之后会快速升高,在800和1 58—6l 000 ̄C时分别为39和6l (m・K),说明了该材料具 [5]Pajonk G M.Some applications of silica aerogels[J]. 有较好的隔热性能; Colloid Poem.Sci.,2003,281:637—651 [6]姜小青,,姚建曦,等.高分子纤维增韧SiO 气凝 (2)SiO 透波气凝胶复合材料有良好的介电性 胶复合材料的制备[J].稀有金属材料与工程,2009,38(2):354 能,介电常数在1.28—1.39可调、损耗角正切≤0.005; —357 耐温性≥1 100℃、室温热导率≤20 mW/(m・K);具有 [7]唐磊,王夕聚.耐高温隔热材料技术[M].北京:国防 较好的力学性能。 工业出版社,2013 综上所述:石英纤维增强的透波气凝胶隔热材料 [8]Morris C A,Theis R L,Miller R K et a1.Improving the 在1 000 ̄C范围内表现出良好的耐温性、介电性能,优 lfavor of calcium chloride and lactic acid injected mature beef top 异的隔热性能及较好的力学性能,因此可用于理想的 round steaks[J].Meat Science,1997,45(4):531-537 透波/隔热材料。 [9]方伟,李狱.某高超音速导弹用新型天线透波隔热装 参考文献 置设计[J].电讯技术,2012,52(9):1528-1531 [1]王亮,冯坚,姜勇刚,等.隔热功能一体化材料的研究 [10]Meng Binshen,Booske John,Cooper Reid.A system to measure complex permittivity of low loss ceralnics at microwave fre- 进展[J].材料导报,2012,26(10):1—4 [2]王衍飞,张长瑞,冯坚,等.SiO:气凝胶复合短切莫来 quencies and over lrage temperature rnages[J].Rev.,Sci.,In- 石纤维多孔骨架复合材料的制备及性能[J].国防科技大学学 strum.,1995,60(2):1068—1071 报,2008,30(6):24—28 (编辑吴坚) [3]邓忠生,魏建东,王珏,等.SiO:气凝胶结构及其热学 宇航材料工艺http://www.yhclgy.com 2015年第4期 一53一 

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