航天飞机隔热瓦的制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种航天飞机隔热瓦的制备方法，隔热瓦主要用于航天飞机的隔热以及其他航天、航空、导弹等飞行器隔热防护领域，属于特种技术领域。
背景技术
制造航天飞机的主要材料是铝，离1649摄氏度的耐温要求差得很远，因此必须给它加一个隔热层。早期的航天项目，宇宙飞船上加的是可融隔热层，这种隔热层因融化而将热量消耗掉，它给宇宙飞船提供了有效的保护，缺点是它是一次性的，不能重复使用。航天飞机需要重复使用，装备一种新的可重复使用的隔热层十分必要。这种新材料隔热层必须具有密度低、导热系数低、耐高温、强度高、以及高隔热效率的特点，现有材料存在的问题是：密度较低地隔热材料，抗压、抗拉强度低，或者直接就是柔性材料。强度高的材料存在着密度大、隔热效率低的缺点，对视重量为生命的航空、航天飞行器来说，飞行器越轻越好，所以说隔热材料必须具有低密度同时也要有高强度。
国外，美国新型航天飞机热保护系统(TPS)主要是由贴在航天飞机腹部的几千甚至上万块隔热瓦构成的，由于隔热瓦体积的80-90％是空气，所以它的重量极轻，拿在手上就像拿了一块塑料泡沫似的，最高可耐1260摄氏度的高温，同时具有一定的强度，美国、俄罗斯对这种材料一直进行着不断的研究改进中。由于这种材料军事应用价值巨大，所以其制造方法等被严格保密，我国对这种材料的研究从70年代开始，一直在不断的探索进行中，近期取得了巨大的进展，已经获得了批量应用。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种航天飞机隔热瓦的制备方法，能够制造耐高温、高强度、低密度、低导热和隔热效果好的隔热瓦。
本发明所述的航天飞机隔热瓦的制备方法，包括基体配料、成型、烧成和实施涂层，基体配料重量组成为：熔融石英玻璃纤维50～95％、氧化铝纤维5～50％、氮化硼0～5％和基体助剂0～3％。
其中：
基体助剂为硅溶胶与甲基纤维素按照重量比1∶(0.5～1.5)的混合物；
熔融石英玻璃纤维直径为1～10μm，SiO2重量含量≥95％；
氧化铝纤维直径为3～20μm，Al2O3重量含量≥80％。
首先将熔融石英玻璃纤维和氧化铝纤维球磨粉碎，再加入氮化硼和助剂搅拌分散，经过抽滤成型后在1100～1400℃的高温下烧成制成基体毛坯。
毛坯可以耐温最高达1700℃，可在600-1200℃长期使用，密度低，为0.20～0.40g/cm3，导热系数低，最低可达0.046w/m·k，强度高，抗压≥2MPa，抗拉≥0.5Mpa。
再准备涂层材料：
涂层配料重量组成为：合成硼硅玻璃粉50～80％、β-锂霞石5～30％、石英粉0～5％、四硼化硅0～20％、黑色颜料0～10％和涂层助剂1～3％，其中，涂层助剂由聚乙二醇和磷酸三丁酯混合而成，重量混合比例为2∶(0.5～2)。
其中：
合成硼硅玻璃粉是通过氧化硼和二氧化硅按重量比1∶(2～20)经过高温1000～1200℃熔融合成；
锂霞石是通过碳酸锂、氧化铝以及二氧化硅按照摩尔比1∶1∶(2～5)经过1100～1400℃高温合成；
黑色颜料为钴黑颜料或无钴黑颜料。
实施涂层：
清理基体毛坯，将涂层配料合成硼硅玻璃粉、β-锂霞石、石英粉、四硼化硅和黑色颜料，经过球磨研磨分散，再加水和涂层助剂调成料浆，可喷涂或者刷涂在基体毛坯上制成涂膜，干燥后经1100～1400℃的高温烧结制得隔热瓦产品。
涂层耐高温性能好，可在1200℃以下长期使用，具有低膨胀性能，膨胀系数在1～10×10-6mm/mm.K之间，结合匹配性能好，高辐射，辐射系数为0.05～0.95，防水性能好(≯0.3％)，而且表面光洁平整。
实验证明，本发明航天飞机隔热瓦的制备方法，能够制造耐高温、高强度、低密度、低导热和隔热效果好的隔热瓦，还可制备出各种形状规格的其它型件产品，用于航天飞机以及高速飞行器表面隔热，也可广泛用于要求耐高温、低密度、低导热、高强度、高效隔热的航天、航空、导弹等飞行器中隔热防护中。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
合成硼硅玻璃粉通过氧化硼和二氧化硅按重量比1∶(2～20)经过高温1000～1200℃熔融合成。
β-锂霞石通过碳酸锂、氧化铝以及二氧化硅按照摩尔比1∶1∶(2～5)经过1100～1400℃高温合成。
实施例1
本发明所述的石英纤维复合隔热材料，配料重量组成为：
熔融石英玻璃80％、氧化铝纤维15％、氮化硼3％和基体助剂2％；
其中熔融石英玻璃纤维直径为1～10μm，SiO2重量含量≥95％；
氧化铝纤维直径为3～20μm，Al2O3重量含量≥80％；
首先将熔融石英玻璃纤维和氧化铝纤维利用剪切机短切至1-3cm；
基体助剂为硅溶胶与甲基纤维素按照重量比1∶1的混合物。
将熔融石英玻璃纤维和氧化铝纤维分别或混合球磨粉碎，300目筛过滤，加入基体助剂、氮化硼和去离子水介质进行搅拌分散，倒入抽滤成型模具进行成型，烘干后烧成制得基体毛坯。
涂层配料重量组成为：合成硼硅玻璃粉65％，β-锂霞石15％，熔融石英粉5％，四硼化硅8％，钴黑6％和涂层助剂1％。
其中，涂层助剂由聚乙二醇和磷酸三丁酯混合而成，重量混合比例为2∶1。
合成硼硅玻璃粉通过氧化硼和二氧化硅按重量比1∶10经过高温1100±15℃熔融合成。
β-锂霞石通过碳酸锂、氧化铝以及二氧化硅按照摩尔比1∶1∶3经过1150±10℃高温合成。
清理基体毛坯，将涂层配料合成硼硅玻璃粉、β-锂霞石、石英粉、四硼化硅和黑色颜料，经过球磨研磨分散，再加水和涂层助剂调成料浆，可喷涂或者刷涂在基体毛坯上制成涂膜，干燥后经1150℃的高温烧结制得隔热瓦产品。取样按照国标测得性能指标为：耐温1200℃，2小时无变形收缩，密度0.29g/cm3’导热系数0.049w/m·k，法向辐射系数0.95，抗压强度2.8MPa，厚度方向抗拉强度0.79MPa。
实施例2
本发明所述的石英纤维复合隔热材料，配料重量组成为：
熔融石英玻璃纤维85％、氧化铝纤维10％、氮化硼3％和基体助剂2％；
其中熔融石英玻璃纤维直径为1～10μm，Si02重量含量≥95％；
氧化铝纤维直径为3～20μm，Al2O3重量含量≥80％；
首先将熔融石英玻璃纤维和氧化铝纤维利用剪切机短切至1-3cm；
基体助剂为硅溶胶与甲基纤维素按照重量比1∶1的混合物。
将熔融石英玻璃纤维和氧化铝纤维分别或混合球磨粉碎，300目筛过滤，加入基体助剂、氮化硼和去离子水介质进行搅拌分散，倒入抽滤成型模具进行成型，烘干后烧成制得基体毛坯。
涂层配料重量组成为：合成硼硅玻璃粉50％，β-锂霞石30％，熔融石英粉5％，四硼化硅6％、钴黑7％和涂层助剂2％。
其中，涂层助剂由聚乙二醇和磷酸三丁酯混合而成，重量混合比例为2∶1.5。
合成硼硅玻璃粉通过氧化硼和二氧化硅按重量比1∶15经过高温1050±30℃熔融合成。
β-锂霞石通过碳酸锂、氧化铝以及二氧化硅按照摩尔比1∶1∶2.5经过1200±20℃高温合成。
其它过程同实施例1，设定成型压力0.08MPa，烧成温度1250℃，涂层烧成温度1200℃，制备出隔热瓦，取样按照国标测得性能指标为：耐温1200℃，2小时无变形收缩，密度0.27g/cm3’导热系数0.049w/m·k，法向辐射系数0.90，抗压强度2.3MPa，厚度方向抗拉强度0.72MPa。
实施例3
本发明所述的石英纤维复合隔热材料，配料重量组成为：
熔融石英玻璃纤维91.5％、氧化铝纤维5％、氮化硼0.5％和基体助剂3％；
其中熔融石英玻璃纤维直径为1～10μm，SiO2重量含量≥95％；
氧化铝纤维直径为3～20μm，Al2O3重量含量≥80％；
首先将熔融石英玻璃纤维和氧化铝纤维利用剪切机短切至1-3cm；
基体助剂为硅溶胶与甲基纤维素按照重量比1∶1的混合物。
将熔融石英玻璃纤维和氧化铝纤维分别或混合球磨粉碎，300目筛过滤，加入基体助剂、氮化硼和去离子水介质进行搅拌分散，倒入抽滤成型模具进行成型，烘干后烧成制得基体毛坯。
涂层配料重量组成为：合成硼硅玻璃粉80％，β-锂霞石5％，熔融石英粉3％，四硼化硅5％，钴黑6％和涂层助剂1％。
其中，涂层助剂由聚乙二醇和磷酸三丁酯混合而成，重量混合比例为2∶1。
合成硼硅玻璃粉通过氧化硼和二氧化硅按重量比1∶8经过高温1160±10℃熔融合成。
β-锂霞石通过碳酸锂、氧化铝以及二氧化硅按照摩尔比1∶1∶4经过1300±30℃高温合成。
其它过程同实施例1，设定成型压力0.08MPa，烧成温度1250℃，涂层烧成温度1100℃，制备出隔热瓦，取样按照国标测得性能指标为：耐温1200℃，2小时无变形收缩，密度0.22g/cm3’导热系数0.046w/m·k，法向辐射系数0.87，抗压强度2.0MPa，厚度方向抗拉强度0.59MPa。
实施例4
本发明所述的石英纤维复合隔热材料，配料重量组成为：
熔融石英玻璃纤维50％、氧化铝纤维45％、氮化硼2％和基体助剂3％；
其中熔融石英玻璃纤维直径为1～10μm，SiO2重量含量≥95％；
氧化铝纤维直径为3～20μm，Al2O3重量含量≥80％；
首先将熔融石英玻璃纤维和氧化铝纤维利用剪切机短切至1-3cm；
基体助剂为硅溶胶与甲基纤维素按照重量比1∶1的混合物。
将熔融石英玻璃纤维和氧化铝纤维分别或混合球磨粉碎，300目筛过滤，加入基体助剂、氮化硼和去离子水介质进行搅拌分散，倒入抽滤成型模具进行成型，烘干后烧成制得基体毛坯。
涂层配料重量组成为：合成硼硅玻璃粉63％，β-锂霞石19％，熔融石英粉7％，四硼化硅8％和涂层助剂3％。
其中，涂层助剂由聚乙二醇和磷酸三丁酯混合而成，重量混合比例为2∶1.6。
合成硼硅玻璃粉通过氧化硼和二氧化硅按重量比1∶13经过高温1150±10℃熔融合成。
β-锂霞石通过碳酸锂、氧化铝以及二氧化硅按照摩尔比1∶1∶5经过1280±10℃高温合成。
其它过程同实施例1，设定成型压力0.08MPa，烧成温度1350℃，涂层烧成温度1200℃，制备出隔热瓦，取样按照国标测得性能指标为：耐温1200℃，2小时无变形收缩，密度0.40g/cm3’导热系数0.051w/m·k，法向辐射系数0.05，抗压强度3.4MPa，厚度方向抗拉强度0.94MPa。
实施例5
本发明所述的石英纤维复合隔热材料，配料重量组成为：
熔融石英玻璃纤维91.5％和氧化铝纤维8.5％
其中熔融石英玻璃纤维直径为1～10μm，SiO2重量含量≥95％；
氧化铝纤维直径为3～20μm，Al2O3重量含量80％；
首先将熔融石英玻璃纤维和氧化铝纤维利用剪切机短切至1-3cm；
将熔融石英玻璃纤维和氧化铝纤维分别或混合球磨粉碎，300目筛过滤，加入去离子水介质进行搅拌分散，倒入抽滤成型模具进行成型，烘干后烧成制得基体毛坯。
涂层配料重量组成为：合成硼硅玻璃粉78％，β-锂霞石12％，四硼化硅3％，钴黑6％和涂层助剂1％。
其中，涂层助剂由聚乙二醇和磷酸三丁酯混合而成，重量混合比例为2∶1。
合成硼硅玻璃粉通过氧化硼和二氧化硅按重量比1∶13经过高温1150±10℃熔融合成。
β-锂霞石通过碳酸锂、氧化铝以及二氧化硅按照摩尔比1∶1∶5经过1280±10℃高温合成。
其它过程同实施例1，设定成型压力0.08MPa，烧成温度1250℃，涂层烧成温度1100℃，制备出隔热瓦，取样按照国标测得性能指标为：耐温1200℃，2小时无变形收缩，密度0.22g/cm3’导热系数0.046w/m·k，法向辐射系数0.87，抗压强度2.0MPa，厚度方向抗拉强度0.59MPa。
实施例6
本发明所述的石英纤维复合隔热材料，配料重量组成为：
熔融石英玻璃纤维50％、氧化铝纤维46％和氮化硼4％；
其中熔融石英玻璃纤维直径为1～10μm，SiO2重量含量≥95％；
氧化铝纤维直径为3～20μm，Al2O3重量含量≥80％；
首先将熔融石英玻璃纤维和氧化铝纤维利用剪切机短切至1-3cm；
将熔融石英玻璃纤维和氧化铝纤维分别或混合球磨粉碎，300目筛过滤，加入氮化硼和去离子水介质进行搅拌分散，倒入抽滤成型模具进行成型，烘干后烧成制得基体毛坯。
涂层配料重量组成为：合成硼硅玻璃粉66％，β-锂霞石24％，熔融石英粉7％和涂层助剂3％。
其中，涂层助剂由聚乙二醇和磷酸三丁酯混合而成，重量混合比例为2∶1.6。
合成硼硅玻璃粉通过氧化硼和二氧化硅按重量比1∶10经过高温1100±20℃熔融合成。
β-锂霞石通过碳酸锂、氧化铝以及二氧化硅按照摩尔比1∶1∶3.5经过1350±15℃高温合成。
其它过程同实施例1，设定成型压力0.08MPa，烧成温度1350℃，涂层烧成温度1200℃，制备出隔热瓦，取样按照国标测得性能指标为：耐温1200℃，2小时无变形收缩，密度0.40g/cm3’导热系数0.051w/m·k，法向辐射系数0.05，抗压强度3.4MPa，厚度方向抗拉强度0.94MPa。