一种单向纤维强化的航天级防隔热涂层材料
阅读说明：本技术 一种单向纤维强化的航天级防隔热涂层材料 (Unidirectional fiber reinforced aerospace-grade heat-insulation-preventing coating material ) 是由 成小雨 乐斌 王欣 李慧晓 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种单向纤维强化的航天级防隔热涂层材料,包括两种交替出现的层状材料A层与B层,所述A层为航天抗热振涂料SR-107系列涂料,所述B层为单向纤维强化层。本发明所述的一种单向纤维强化的航天级防隔热涂层材料,材料以航天用SR-107涂料为基质,使用单向纤维进行强化,不仅提高涂层的机械性能、耐高温性、耐候性等性能,而且使涂层在高压氧化焰加热下,高温发生陶瓷化反应后,可以承受1500℃的加热并在较长时间内不被烧穿,从而可以大幅度降低所需的涂层厚度和施工重量,同时提高涂层的安全系数。(The invention discloses a unidirectional fiber reinforced aerospace-level heat-insulation-preventing coating material which comprises an A layer and a B layer which are two layered materials and appear alternately, wherein the A layer is an aerospace thermal-vibration-resistant coating SR-107 series coating, and the B layer is a unidirectional fiber reinforced layer. The unidirectional fiber reinforced aerospace-level heat-insulating coating material takes the aerospace SR-107 coating as a substrate, is reinforced by unidirectional fibers, not only improves the mechanical property, high temperature resistance, weather resistance and other properties of the coating, but also enables the coating to bear 1500 ℃ heating and not to be burnt through for a long time after ceramic reaction occurs at high temperature under the heating of high-pressure oxidizing flame, thereby greatly reducing the required coating thickness and construction weight and simultaneously improving the safety factor of the coating.)
技术领域
本发明涉及保温防火领域，特别涉及一种单向纤维强化的航天级防隔热涂层材料。
背景技术
重型及可复用型运载火箭是近年来商用航天技术的主要发展方向之一，也是航天领域技术竞争的重点。随着火箭的体积和重量不断增大，对外壳体的热防护要求也越来越高，传统的软木片等防护材料已经完全不能满足性能要求。目前，基于可陶瓷化的有机-无机复合防隔热涂层已经逐渐成为主流的防护材料。因为材料本体为涂料，可以用喷涂方式施加于轮廓复杂的箭体表面，因此可以以较低的成本获得完整和均匀的防隔热层。然而，因为喷涂的施工方式，限制了在涂层中能够添加的增强纤维的类型和总量。例如，只能使短切的碳纤维，且最大长度不能超过5mm。
在航天器瞬时高温防护方面，可陶瓷化的有机硅基复合材料是近年的研究热点，例如申请号为CN201910020907.7的中国发明专利申请公开了一种可喷涂的硅橡胶基轻质耐烧蚀隔热涂料及其应用，申请号为CN201910020908.1的中国发明专利申请公开了一种有机硅树脂和钡酚醛树脂复合耐烧蚀隔热涂料及其应用。这些涂料产品，均可在使用红外加热并伴随机械振动的环境下，有很好的防隔热效果，甚至可以长期经受1500℃以上的高温。然而如果使用气体压力较高的火焰，例如乙炔氧化焰进行冲击，仍会在较短的时间内出现穿孔烧透现象。通常的解决方案是使用密度较高而且价格昂贵的稀土元素强化涂层产品，造成防护层造价和重量大幅度上升。因此，现有技术具有较大的改进空间。
单向纤维强化技术是一种主要从航天材料制造中发展出来的技术，具有施工容易、减震效果好、膨胀小、强化选择性高、不易整体失效等优点，是一种能够有效提高复合材料的整体性能的技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种单向纤维强化的航天级防隔热涂层材料，所述材料可在500℃以上高温发生陶瓷化反应，所生成的陶瓷化相与单向纤维材料强化骨架结合，使得所述材料可以承受1500℃左右的高压气流火焰加热并在较长时间内不被烧穿可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种单向纤维强化的航天级防隔热涂层材料，包括两种交替出现的层状材料A层与B层，所述A层为航天抗热振涂料SR-107系列涂料，所述B层为单向纤维强化层。
优选的，所述A层的厚度为0.2-3.0mm，所述B层的厚度不单独计算。
优选的，所述单向纤维强化层的材质为玻璃纤维、碳纤维、岩棉纤维的至少一种。
优选的，所述SR107系列涂料产品的隔热层涂料、烧蚀层涂料及辐射层涂料，均可用于制备上述单向纤维强化的防隔热涂层材料。
优选的，所述单向纤维强化层，在使用前需要使用硅烷偶联剂进行表面处理，所用硅烷偶联剂为KH550，KH540，KH792中的至少一种。
优选的，所述单向纤维层使用单向纤维布或者纤维布线器进行涂敷。
优选的，在最终产品中，纤维层的质量比例约为5％-40％。
优选的，其制备方法包括以下步骤：S1：将SR107航天抗热振涂料与固化剂搅拌均匀；S2：将S1中获得的物料在操作时间窗口内搅拌均匀后喷涂于工件表面；S3：在涂层固化至40％-60％最终硬度时，将单向纤维布贴覆于涂层表面；S4：待涂层固化至最终硬度的70-90％后，即可重复喷涂涂层；S5：重复步骤S1至S3一到十次，直到得到预设厚度的单向纤维强化的防隔热涂层。
优选的，该单向纤维强化的航天级防隔热涂层材料应用于航天器防隔热领域。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明中材料以航天用SR-107涂料为基质，使用单向纤维进行强化，不仅提高涂层的机械性能、耐高温性、耐候性等性能，而且使涂层在高压氧化焰加热下，高温发生陶瓷化反应后，可以承受1500℃的加热并在较长时间内不被烧穿，从而可以大幅度降低所需的涂层厚度和施工重量，同时提高涂层的安全系数。
附图说明
图1为实施例1所述单向纤维强化的防隔热涂层材料固化后的成分示意图；
图2为实施例1所述单向纤维强化的防隔热涂层材料在500℃以上高温下形成陶瓷化层的示意图；
图中：1、SR-107系列航天抗热振防隔热涂料；2、单向纤维层；3、陶瓷化层。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-2所示，一种单向纤维强化的航天级防隔热涂层材料，包括两种交替出现的层状材料A层1与B层2，A层1为航天抗热振涂料SR-107系列涂料，B层2为单向纤维强化层，A层1的厚度为0.2-3.0mm，B层2的厚度不单独计算，单向纤维强化层的材质为玻璃纤维、碳纤维、岩棉纤维的至少一种，SR107系列涂料产品的隔热层涂料、烧蚀层涂料及辐射层涂料，均可用于制备上述单向纤维强化的防隔热涂层材料，单向纤维强化层，在使用前需要使用硅烷偶联剂进行表面处理，所用硅烷偶联剂为KH550，KH540，KH792中的至少一种，单向纤维层使用单向纤维布或者纤维布线器进行涂敷，在最终产品中，纤维层的质量比例约为5％-40％。
该单向纤维强化的航天级防隔热涂层材料的制备方法包括以下步骤：S1：将SR107航天抗热振涂料与固化剂搅拌均匀；S2：将S1中获得的物料在操作时间窗口内搅拌均匀后喷涂于工件表面；S3：在涂层固化至40％-60％最终硬度时，将单向纤维布贴覆于涂层表面；S4：待涂层固化至最终硬度的70-90％后，即可重复喷涂涂层；S5：重复步骤S1至S3一到十次，直到得到预设厚度的单向纤维强化的防隔热涂层，该单向纤维强化的航天级防隔热涂层材料应用于航天器防隔热领域，材料以航天用SR-107涂料为基质，使用单向纤维进行强化，不仅提高涂层的机械性能、耐高温性、耐候性等性能，而且使涂层在高压氧化焰加热下，高温发生陶瓷化反应后，可以承受1500℃的加热并在较长时间内不被烧穿，从而可以大幅度降低所需的涂层厚度和施工重量，同时提高涂层的安全系数。
实施例1：
一种单向纤维强化的防隔热涂层材料，其厚度为2.0mm±0.2mm其制备原料包括以下组分：SR107-TI涂料，单向玻璃纤维布(规格G10000)。
其中，SR107-TI涂料为一种空心玻璃微珠与空心陶瓷微球做填充料的低传热系数树脂材料涂料。
单向纤维强化的防隔热涂层材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将SR107-TI涂料与固化剂搅拌均匀；(2)边搅拌边喷涂SR107-TI涂料到离形膜覆盖的模具板上，往复喷涂，直至厚度约为1.0mm；(3)待涂层固化至邵氏硬度25-30，将单向玻璃纤维布G10000粘贴至半干的涂层表面；(4)待涂层固化至邵氏硬度达到35，继续喷涂SR107-TI涂料，达到总厚度2.0mm后，重复(3)的操作。
实施例2：
一种单向纤维强化的防隔热涂层材料，其厚度为4.0mm±0.4mm其制备原料包括以下组分：SR107-TA涂料，单向玻璃纤维布(规格G17500)。
其中，SR107-TA涂料为一种陶瓷纳米粉体与陶瓷前驱体的树脂基耐高温烧蚀型涂料，其完全固化后密度约为1.27g/cm3。
单向纤维强化的防隔热涂层材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将SR107-TA涂料与固化剂搅拌均匀；(2)边搅拌边喷涂SR107-TA涂料到离形膜覆盖的模具板上，往复喷涂，直至厚度约为1.0mm；(3)待涂层固化至邵氏硬度30-35，将单向玻璃纤维布G17500粘贴至半干的涂层表面；(4)待涂层固化至邵氏硬度达到45后，重复(1)-(3)的操作直至总厚度达到4.0mm。
对比例1：
一种防隔热涂层材料其厚度为4.0mm±0.4mm其制备原料包括以下组分：SR107-TA涂料。
防隔热涂层材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将SR107-TA涂料与固化剂搅拌均匀；(2)边搅拌边喷涂SR107-TA涂料到离形膜覆盖的模具板上，往复喷涂，直至厚度约为1.0mm；(3)待涂层固化至邵氏硬度45以上后，重复(1)-(3)的操作直至总厚度达到4.0mm。
表1实施例2与对比例1的主要性能比较
通过对比实施例2和对比例1，可以看出，通过在结构中添加单向玻璃纤维，所获得的耐烧蚀涂层的抗火焰气流冲击能力和抗剪切强度有大幅度的提升，有利于在航天器上使用更轻更薄的防隔热涂层。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。