邓林 罗珊 田星星 吴朝艳
贵州航天乌江机电设备有限责任公司 563000
【摘要】为提升气凝胶外方热材料性能及其应用范围，当下技术人员不断就气凝胶外防热材料的制备进行创新，通过制备参数的不断调整，进而实现对气凝胶外防热材料的技术创新，进而突破传统气凝胶应用限制，实现气凝胶制备技术与性能的创新。文章以夹层结构气凝胶外防热材料的制备及应用技术进行研究与分析，以至于材料性能的提升，不断优化其隔热性能，进而促进其应用范围的拓展。
【关键词】夹层结构气凝胶 外防热材料 材料制备 应用技术
二氧化硅气凝胶具有较强的耐高温性能，作为三维纳米材料其在大功率发电机中的应用具有一定的优势性，也是当下市面气凝胶隔热材料中性能最好的隔热材料。纯气凝胶材料强度相对较低，因此在对气凝胶材料制备过程中，适当与不同的纤维进行融合，能够优化气凝胶耐高温性、力学性能、隔热性能等。在已有的研究中部分研究人员以二氧化硅为原料对其制备过程进行了不断的研究，但其材料无法承受高温气流的冲击，因此无法在航空航天设备防热中进行应用。从国内外气凝胶防热技术来讲，其一般采用盖板与气凝胶隔热层进行防热，此种组合方式能够极大的增强材料自身对高温冲刷的流速，但受限于技术应用与工序复杂性等因素，其类气凝胶制备与应用在我国应用较少。
从此次夹层架构气凝胶制备来讲，其主要是采用纤维预制体复合二氧化硅隔热材料，进而在气凝胶表面渗入一定深度的面板陶瓷的前驱体，进而制备出抗冲刷能力较高的防热气凝胶材料。通过开展预制体Z向纤维密度对力学性能影响的研究，以及面板陶瓷前驱体浸渍复合压力、浓度和浸渍复合次数对隔热性能和力学性能影响的研究，最终获得高强度面板的气凝胶防热材料，其隔热性能优异，在四点弯曲考核实验中展现出优异的性能。
一、夹层结构气凝胶外防热材料的制备
1.1样件制备
纤维预制体。首先选用一定厚度的石英纤维毡进行多层叠加，通过控制Z向纤维密度，以控制层间强度，制备不同种类的纤维预制体。
气凝胶复合材料。采用纤维预制体与二氧化硅气凝胶前驱体通过真空浸渍复合，采用凝胶、溶胶、超临界干燥力方法制备气凝胶复合材料。
气凝胶表面层增强。采用不同浓度的陶瓷前驱体浸渍复合气凝胶表面层，获得抗冲刷面板气凝胶材料。通过研究陶瓷前驱体浓度、浸渍力方式、浸渍次数对隔热性能和力学性能的影响，获得性能优异的气凝胶外防热材料。
1.2测试与表征
密度:参考标准GB /T 6343-2009《泡沫塑料和橡胶表观密度的测定》。平拉强度:参考标准GB /T1452 2018《夹层结构平拉强度试验力一法》。压缩强度:参考标准GB /T 8489 2006精细陶瓷压缩强度测试h一法》。拉伸强度:参考标准GB /T1447 2005《纤维增强塑料拉伸性能试验力-法》。室温热导率:参考标准GB /T 10295 2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流量计法》。
二、夹层结构气凝胶外防热材料的制备及应用探讨
2.1预制体Z向纤维密度对热物性能的影响
经过对夹层结构气凝胶外防热材料的制备，研究人员对典型试验件进行了密度、室温热导率、压缩强度、拉伸强度和平拉强度等基本热物性参数测试，测试结果表明该类型复合材料的隔热性能十分优异，充分体现了气凝胶材料的隔热特性，随着Z向纤维密度的增加，气凝胶材料的隔热性能逐渐降低；随着Z向纤维密度的增加，气凝胶材料的压缩强度和平拉强度均有所增大，说明Z向纤维密度主要发挥了面外力方向的力学承载作用；随着Z向纤维密度的增加，面板拉伸强度有所降低，可以看出，Z向纤维的增加，在一定程度上破坏了面内力一向整体结构强度，在拉伸实验中容易产生应力集中，从而降低了面板的力学强度。
2.2前驱体浓度对材料热物性能的影响
研究人员首先配制10%,20%,35%,50%浓度的陶瓷前驱体溶液，并用其浸渍复合气凝胶坯体的上、下表面层，上、下厚度分别控制为1.5mm和0.5mm，研究了陶瓷前驱体浓度对面板密度、力学和材料隔热性能的影响。
研究数据表明，采用低浓度陶瓷前驱体进行面板致密化，可以制备出高密度的陶瓷面板，面板拉伸强度明显增大，相对而言，前驱体浓度10%和20%对面板性能的影响相当，相关性能明显优于前驱体浓度40%和50%时，但是由于面板厚度相对整体结构厚度比例仅为 1 :10总厚度20m间，其对室温热导率变化的影响不大。
2.3面板陶瓷前驱体浸渍复合方式对材料性能的影响
本项目选用20%浓度的陶瓷前驱体，开展了面板陶瓷前驱体的自然压力浸渍、真空浸渍和真空于打压浸渍对面板性能的影响规律研究。
不同压力浸渍力一式对面板材料密度和力学强度的影响数据彰显着，真空浸渍相对自然浸渍可以获得更高密度的面板材料，主要是因为真空浸渍可以有效排除面板预制体层内的空气，从而保证更多的陶瓷前驱体渗入进去；采用真空习医力浸渍也可以获得更高密度的面板，但是相对真空浸渍，面板密度和力学强度变化不大。
2.4陶瓷前驱体浸渍次数对材料性能的影响
选用20%浓度的陶瓷前驱体，采用真空浸渍力一式对气凝胶坯体进行致密化处理，研究陶瓷前驱体浸渍复合次数对面板密度的影响。实验证明，随着浸渍次数的增加，面板密度逐渐增大，当致密次数超过5次后，面板密度达到最大值，后续再增加次数面板密度也基本保持不变。单次浸渍(泡)时间对面板密度的影响规律可以看出，相对延长单次浸渍(泡)时间可以有效增大浸渍完善程度，面板密度有所增大，但是增大比例相对较小。
三、结束语
在对夹层结构气凝胶外防热材料进行制备与应用的研究过程中，研究人员不断就纯气凝胶的制备进行创新，以对传统二氧化硅夹层结构的连接技术、面板致密化技术、力学性能等进行优化。在进行研究的过程中，通过不同复合纤维材料的加入，夹层架构气凝胶应变协调性大幅提升，隔热性能不断优化，这也就促进着其在飞行器等大功率热防护领域中的应用。
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