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炭纖維增強(qiáng)高溫隔熱材料
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| 發(fā)布時(shí)間：
2022/11/13 |
隔熱復(fù)合材料(亦稱燒蝕防熱復(fù)合材料或耐燒蝕復(fù)合材料)能阻滯熱流傳遞，通常是輕質(zhì)、疏松、多孔且熱導(dǎo)率小的材料。習(xí)慣上，將熱導(dǎo)率小于0.23w/(m·K)的材料稱為隔熱材料。其功能機(jī)理是能在熱流作用下發(fā)生分解、熔化、蒸發(fā)、升華和輻射等多種物理和化學(xué)變化，借助材料的質(zhì)量消耗帶走大量熱量，以達(dá)到阻止熱流傳人結(jié)構(gòu)內(nèi)部的目的。隔熱復(fù)合材料是由于其特有的保溫、隔熱、隔聲及防火性能，而被廣泛應(yīng)用于能源動(dòng)力、機(jī)械制造、石油化工、材料冶金、工業(yè)建筑以及交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)和部門，同時(shí)也是航天飛行器和導(dǎo)彈等必不可少的關(guān)鍵材料。
隔熱材料種類繁多，一般可按防熱機(jī)制、基體類型與密度大小的不同分類。隔熱復(fù)合材料按其防熱機(jī)制的不同又分為升華型、熔化型和炭化型三種。升華型主要利用材料在高溫下升華氣化帶走熱量，如c/c復(fù)合材料，升華溫度可達(dá)3600℃，該復(fù)合材料在舟華前還有強(qiáng)烈的輻射散熱作用。熔化型主要利用材料在高溫下熔化吸收熱量，并進(jìn)一步利用形成的熔融液態(tài)層來(lái)阻塞熱流，如炭纖維/石英復(fù)合材料。石英在高溫下熔融形成的液體能很好地黏結(jié)炭化層，可起到抗沖刷與防熱效果。炭化型主要利用樹脂在高溫下的炭化吸收熱量，進(jìn)而所形成的炭化層還具有很好輻射散熱和阻塞熱流作用，如炭纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料、炭纖維/聚酰亞胺樹脂復(fù)合材料等。
按所用基體的不同，可將隔熱復(fù)合材料分為樹脂基、炭基和陶瓷基三類。樹脂基隔熱復(fù)合材料具有密度低、成型加工容易等優(yōu)點(diǎn)，樹脂基隔熱復(fù)合材料的開發(fā)導(dǎo)致燒蝕式隔熱技術(shù)的興起℃/c隔熱復(fù)合材料耐燒蝕性能最好，并具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能℃/c復(fù)合材料是用于2000℃以上隔熱結(jié)構(gòu)的唯一備選材料，可耐受高達(dá)10000℃的駐點(diǎn)溫度。陶瓷基復(fù)合材料具有良好的高溫力學(xué)性能、抗氧化性、耐磨性及隔熱性，其工作溫度可高達(dá)1650℃，但其脆性大，可靠性較差。
樹脂基隔熱復(fù)合材料按密度大小又可分為低密度和高密度隔熱復(fù)合材料。低密度隔熱復(fù)合材料是由輕質(zhì)填料(如中空玻璃珠、陶瓷珠等)、短切纖維與酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂或有機(jī)硅樹脂等復(fù)合而成的隔熱材料，其密度可根據(jù)要求在0．2～0.79/ cm3變化。低密度隔熱材料既利用了樹脂基體的耐熱性能，又通過加入填料顯著提高了材料的隔熱性能，適用于低熱流和載入時(shí)間長(zhǎng)的航天器，如軌道式載入的返回式飛船和衛(wèi)星的熱防護(hù)蒙皮。“雙子星座"密封艙隔熱材料和“阿波羅"指揮艙隔熱系統(tǒng)都采用了低密度樹脂基隔熱復(fù)合材料。高密度隔熱復(fù)合材料一般指密度大于1.Og/cm3的隔熱復(fù)合材料，如纖維增強(qiáng)各種基體的隔熱復(fù)合材料。常用的高密度樹脂基防熱復(fù)合材料有玻璃纖維/酚醛樹脂、高硅氧纖維/酚醛樹脂、炭纖維/酚醛樹脂及炭纖維/聚酰亞胺樹脂等復(fù)合材料。
高溫隔熱材料于1928年在美國(guó)和西歐問世，得到迅速的推廣和使用。目前很多隔熱材料都只能滿足在16000C以下使用，而且僅僅起到隔熱作用，因此開發(fā)使用溫度高、“結(jié)構(gòu)一功能”一體化并能滿足金屬、非金屬及其制品的高溫?zé)崽幚砉に囈蟮妮p質(zhì)高強(qiáng)隔熱材料意義重大。
目前很多科技工作者都致力于研究在高溫(1800℃以上)使用的高性能隔熱材料，而高性能隔熱材料應(yīng)具有如下特點(diǎn)：
?、偈褂脺囟雀?1800℃以上)，隔熱性能好，有明顯節(jié)能效果；
?、跓釋?dǎo)率低，熱容量小，熱效率高，爐子循環(huán)操作短，節(jié)省成本；
③生產(chǎn)成本低，不易粉化，不污染爐內(nèi)環(huán)境；
④穩(wěn)定性好，耐熱變形和抗熱震能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)；
?、葺p質(zhì)高強(qiáng)、韌性好，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)一功能的一體化；
?、抻操|(zhì)材料，可做成需要的幾何形狀，安裝使用方便，易于更換。
由于隔熱材料是通過引入氣孔的方式來(lái)獲得低熱導(dǎo)率，引入大量氣孔導(dǎo)致隔熱材料重?zé)€收縮率提高、荷重軟化溫度降低、高溫蠕變嚴(yán)重且耐壓強(qiáng)度降低，從而使隔熱材料的使用溫度很難提高，并且使應(yīng)用范圍受到限制，因此尋找新的隔熱材料和制備方法一直是各國(guó)相關(guān)研究者的工作重點(diǎn)?，F(xiàn)有各種材質(zhì)的隔熱材料中，炭素質(zhì)隔熱材料品種較多、使用溫度高且隔熱節(jié)能效果好，是當(dāng)今重點(diǎn)發(fā)展的隔熱材料。 |
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