一种高速飞行器端头帽内吸波隔热罩及其净尺寸成形方法与流程

本发明涉及吸波隔热器件，尤其是涉及一种高速飞行器端头帽内吸波隔热罩及其净尺寸成形方法。

背景技术：

1、高超音速导弹武器等高速飞行器端头帽位置的表面温度可达2000～3000℃，经表面的cf/c面板将绝大部分热量辐射回背景空间后，cf/c面板内侧温度经仿真计算约为2000～2500℃。为了阻止端头向战斗部传热，导致战斗部内的炸药温度过高失控起爆，必须在端头帽内侧布置隔热层。目前成熟的氧化物陶瓷基隔热材料，如波音公司生产的氧化铝增强热壁垒(alumina enhanced thermal barrier,aetb)刚性隔热瓦，最高使用温度约1480℃(2700℉)。隔热瓦/二氧化硅气凝胶复合材料的耐温极限约为1100℃。纳米绝热板的长时耐温极限约1000℃。氧化物陶瓷类高温隔热材料在1500℃以上会发生严重的烧结、体积收缩、析晶等物理化学变化，导致隔热层的力学性能和隔热性能迅速劣化，失去热防护功能。

2、美国原子能委员会在美国专利us 3634563中公开了纳米绝热板的制备技术。该专利以气相二氧化硅或二氧化硅气凝胶粉为基材，在基材中添加短纤维增强体(石英纤维)、红外抗辐射剂(sic粉或tio2粉)及压制流变助剂(如辛酸)，经热压过程制备，应用于同位素热核电池(radioisotopic thermal generator,rtg)的保温绝热。美国圣地亚国家实验室对1400材料的性能做了全面表征，认为min-k材料的长期使用温度≤760℃(1400℉)，高于此温度时min-k材料会发生烧结和收缩，从而失效(even,r.w.,et al.(1981).dimensional instabilities in min-k 1400above its expected servicetemperature.)。

3、因此，制备长时间(≥30min)使用温度在1500℃～2500℃、制造工艺简单、制造成本低、可靠性高的陶瓷基高效隔热材料对高速飞行器型号的研发进度推进至关重要。

技术实现思路

1、本发明是为了克服现有技术中存在的上述问题，提供一种高速飞行器端头帽内吸波隔热罩及其净尺寸成形方法。本发明的吸波隔热罩以低导热炭黑纳米粉、短切碳纤维和陶瓷微珠红外遮光剂为主要原料，放置在飞行器cf/c端头帽和端头帽内刚性隔热瓦及气凝胶低温隔热层之间，作为耐超高温吸波隔热夹层使用，具有耐温高、隔热效果好、电磁吸收能力强、抗体积收缩、制造成本低的优点。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种高速飞行器端头帽内吸波隔热罩，包括碳基体隔热芯材；所述的碳基体隔热芯材的原料包括质量比为90～95:3～7:1～5的炭黑纳米粉、去除了表面上浆剂的短切碳纤维和陶瓷微珠红外遮光剂。

4、本发明采用炭黑纳米粉、短切碳纤维和陶瓷微珠红外遮光剂为原料制得碳基体隔热芯材，其中，纳米炭黑起到阻止固相热传导和气相热传导的主要作用，碳纤维起到力学增强、增韧作用，陶瓷微珠红外遮光剂则起到抑制红外辐射传热的作用；若短切纤维和遮光剂过少，会因为纤维过少隔热帽成型效果差，连接力不强，强度有所下降，遮光剂过少会也会导致降低高温辐射热导率效果变差，进而导致隔热效果变差。由于碳基材料在无氧或贫氧环境下化学稳定性强，因此用本发明中的组分制得的碳基体隔热芯材具有良好的抗体积收缩性能。本发明通过对碳基体隔热芯材的原料组成及其用量进行选择和优化，得到的高速飞行器端头帽内吸波隔热罩具有耐温高、隔热效果好、电磁吸收能力强、抗体积收缩、制造成本低的优点。

5、作为优选，所述的炭黑纳米粉选自江西黑猫炭黑股份有限公司的hmq-c10纳米炭黑、日本三菱高色素炭黑ma100、ma11、德固赛printex u碳中的一种或多种。

6、作为优选，所述的短切碳纤维的长度为4～8mm；所述的短切碳纤维为中复神鹰syt45、syt50s、sym50中的一种或多种。优选的型号为石墨化度较低的、导热系数较低、拉伸强度较高的碳纤维品种。过长的纤维在混料机中混合时以聚团，不易混合均匀；过短的纤维增韧效果差，产品韧性差。

7、作为优选，所述的陶瓷微珠红外遮光剂的粒度分布d50≥1.6μm；所述的陶瓷微珠红外遮光剂为硅、碳化硅、氮化硅、碳化锆、碳化铪、碳化钽、硼化锆、硼化钽、四硼化硅、六硼化硅、二硅化钼、二硅化钽、碳化硼粉体中的一种或多种组合。根据维恩位移定律，1500℃热源对外的红外辐射本领最大的波长对应为1.6μm，因此红外遮光剂的平均粒度需要≥1.6μm，粒度为d90≤1.6μm的陶瓷粉体对≤1500℃的热红外辐射基本透明，起不到遮挡红外热辐射的效果。

8、作为优选，所述的碳基体隔热芯材外部设有外封装层，碳基体隔热芯材内设有内封装层；所述的外封装层和内封装层为负载了硅凝胶的预氧丝针刺毡。在碳基体隔热芯材的内、外设置封装层，可使构件的完整性更好，防止构件芯材掉粉；并且在高温烧蚀过程中，内外表面的封装层在高温作用下会转化为碳化硅陶瓷致密层，起到力学增强效果。

9、作为优选，所述的预氧丝针刺毡为预氧化聚丙烯腈针刺毡或预氧丝碳纤维针刺毡。

10、作为优选，所述的预氧丝针刺毡的厚度为0.5～3mm。

11、作为优选，所述的硅凝胶为si-o-c凝胶、si-b-o-c凝胶中的一种。当温度≥1400℃时，体系中的c、si等将逐步陶瓷化生成sic陶瓷硬壳体，防止体积收缩。

12、本发明还提供了一种上述高速飞行器端头帽内吸波隔热罩的净尺寸成形方法，包括如下步骤：

13、(1)去除短切碳纤维表面的上浆剂；

14、(2)将炭黑纳米粉、去除了表面上浆剂的短切碳纤维和陶瓷微珠红外遮光剂混合均匀，得到混合原料；

15、(3)将混合原料进行冷等静压成型，脱模后得到净尺寸成型的碳基体隔热芯材。

16、作为优选，步骤(1)中通过熔融盐炉埋烧处理及水洗去除短切碳纤维表面的上浆剂。

17、作为优选，所述熔融盐炉的熔融盐为氯化钠，熔融盐炉的恒温温度为950～1000℃，保温时间25～35min。

18、作为优选，步骤(3)中冷等静压成型时的压力为15～25mpa，保压时间20～40min。

19、作为优选，还包括内封装层和外封装层的制备步骤；

20、内封装层的制备方法为：将预氧丝针刺毡套装在内模具上，然后在套装好的预氧丝针刺毡上涂刷硅溶胶，待凝胶后进行真空烘干得到内封装层，并将所得的碳基体隔热芯材套装至内封装层外侧；

21、外封装层的制备方法为：在套设在内封装层外侧的碳基体隔热芯材外表面及底面分别设置一块预氧丝针刺毡，将结合界面处用密封胶粘合；然后在预氧丝针刺毡上涂刷硅溶胶，待凝胶后进行真空烘干得到外封装层。

22、作为优选，所述的硅溶胶为si-o-c溶胶、si-b-o-c溶胶中的一种。

23、作为优选，制备内封装层和外封装层时，硅溶胶在预氧丝针刺毡上的涂刷量为40～100g/m2。

24、因此，本发明具有如下有益效果：

25、(1)以低导热炭黑纳米粉、短切碳纤维和陶瓷微珠红外遮光剂为主要原料制得碳基体隔热芯材，由于碳基材料在无氧或贫氧环境下化学稳定性强，因此用本发明中的组分制得的碳基体隔热芯材具有良好的抗体积收缩性能；

26、(2)在碳基体隔热芯材的内、外设置封装层，可使构件的完整性更好，防止构件芯材掉粉；并且在高温烧蚀过程中，内外表面的封装层在高温作用下会转化为碳化硅陶瓷致密层，起到力学增强效果；

27、(3)本发明的吸波隔热罩作为耐超高温吸波隔热夹层使用，具有耐温高、隔热效果好、电磁吸收能力强、抗体积收缩、制造成本低的优点。