具有多层反射结构的柔性纳米隔热材料

具有多层反射结构的柔性纳米隔热材料吴文军，胡子君，房景臣，孙陈诚，张宏波，李俊宁（先进功能复合材料技术国防科技重点实验室，航天材料及工艺研究所，北京，100076）摘要本文将纳米多孔结构和多层反射屏引入柔性热防护系统中，设 计出一种具有多层反射结构的柔性纳米隔热材料。研究表明，纳米多孔结构 和多层反射屏能够有效地提高材料的隔热性能。最后结合材料的微观结构对 其隔热机理进行了分析。关键词 柔性隔热，多层隔热结构，纳米结构，隔热机理Study on Flexible Insulation with Multi-Layerand NanostructureWu Wenjun, Hu Zijun, Sun Chen che ng Zhang Hon gbo, Li Junjing（National Defence Science&Technology Key Laboratory of Advanced Functional Composites, Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology, Beijing 100076）ABSTRACTFIexible thermal in sulati on materials with multi-layered nano structure were fabricated by in troduci ng the nan oporous colloid silica and multi-layer reflect ion foil into the ceramic fiber blanket. It is found that the multi-layered flexible thermal in sulati on materials with nan oporous structure show excelle nt thermal in sulati on performa nee. The in sulati on mecha nism was an alyzed based on the microstructure of the resulted material.KEYWORDS:Flexible In sulati on, Multi-Layer, Na nostructure, I nsulation mecha nism作者简介：吴文军（1981.8-），硕士，工程师，主要从事高效隔热复合材料方面的研究。Email: evanwu。电话：010-681984171引言可重复使用航天飞行器（RLV）再入大气层时经受长时间的剧烈气动加热，必 须采用热防护系统（TPS）对飞行器的机体加以保护，飞行器隔热层的合理设计成 为一项重要的工作，是重复使用运载器的关键技术之一。柔性防热结构没有热匹 配问题，可减少制造和安装方面的复杂性，能制成较大尺寸直接用胶粘剂粘接 到蒙皮上，并具有质量轻，耐热震性好及价格便宜的优点1 0因此柔性热防护系统广泛应用于RLV中的较低温区，约占防热面积的30%，在整个TPS中起着至关 重要的作用2。本文将纳米结构和多层反射屏引入柔性热防护系统中，设计出一 种具有多层反射结构的柔性纳米隔热材料，并进行了一定的优化实验，从微观结 构上对其隔热机理进行了分析。2实验部分2.1试样的制备复合材料中柔性纳米结构采用陶瓷纤维增强的金属氧化物柔性气凝胶材料， 以高反射金属箔作为反射屏。组合制得具有多层反射结构的柔性纳米隔热材料实 物如图1所示。图1复合材料实物图Fig.1 Flexible in sulati on composite2.2测试仪器2.2.1隔热材料背面温升测试采用石英灯背面温升试验装置。试样放在测试部位, 热面快速升至600E，并保持30min，测量冷面不同点的温度随时间的变化，典 型的升温曲线如图2所示。600O30250 ii ，丨亠,I -2000200 400 600 800 100012001400160018002000t/S图2.测试温度升温曲线图Fig.2 Curve of test ing temperature2.2.2材料的微观结构采用扫描电子显微镜进行观察。3结果与讨论绝大部分绝热材料的传热主要由以下三个部分构成：(1) 气体分子的热传导,Qg ;(2) 固体材料的热传导，Qs ;(3) 红外辐射传热，Qr。为了降低绝热材料的热导率,就需从以上三个方面入手对材料进行设计改造。3.1多层反射结构对隔热性能的影响绝大多数传统绝热材料均对红外光具有良好的透明性，当冷、热面温差在100C以上时，这种传热将占主导地位。而且随着温度的提高,这种趋势将更为显 著(根据玻耳兹曼定律,红外辐射传热量随温度的四次方增长),因此绝大多数绝 热材料的热导率-温度曲线随着温差的升高，曲线斜率愈来愈陡 。所以，如果能 够有效地减少隔热材料的热辐射， 就可以大大降低隔热材料的高温导热系数，提高隔热性能。而多层反射隔热组合结构就能够有效地抑制热辐射的传递，其原理如图3所示。研究表明，在1, 2之间放置同样的一个隔热屏3,则通过隔热材料的辐射 能量可以减小一半，如果放置n个大小相等材料相同的平面，则辐射的热量可以 减小至原来的1/(n+1)，这就是加入金属反射层可以大大降低辐射传热的理论基q/A图3.多层反射隔热材料隔热原理Fig.3 Heat insulating prineiple of multi-layer thermal insulations础。Kamran分析认为最适合的反射屏间距为2mm5,国外热防护系统高温多层隔 热结构通常在每厘米的厚度内放置2到3层反射屏。本文亦将多层反射屏间纤维间 隔物的厚度定为2mm,制备总厚度为25mm的复合材料，将其背温曲线与不含多 层反射结构的材料（厚度亦为25mm）进行对比，结果如图4所示。结果表明，多层反射结构的引入有效地减少了复合材料红外辐射传热Qr,在正面温度为600C且保持30min的情况下，使其背面温度降低了 22%提高了材料的 隔热性能。后续研究内容均采用上述多层反射结构。30-，_273.0一 212.925000250001 .150OO2000400600O18002O40006008图4.多层反射结构对材料隔热性能的影响Fig.4 In flue nee of multi-layer structure on in sulatio n performa nee3.2纳米结构对隔热性能的影响具有多层反射结构的柔性纳米隔热材料，其示意图由图5所示。其中二氧化硅气凝胶是一种颗粒与孔结构均为纳米级的多孔材料。通常,气体分子的平均自 由程长度一般均在纳米级范围内,例如,0 °C时空气分子的平均自由程为60nm,且随着温度的升高而增大。二氧化硅微粒构架成的微孔尺寸均小于这一临界尺寸， 气体分子的热传导得到了抑制。同样，在如此小的微孔尺寸下，气体无法进行对流传热。而二氧化硅气凝胶本身具有极低的热传导，因此纳米二氧化硅气凝胶 结构的引入，在微量增加固体热传导的同时有效地抑制了气体分子的热传导和对 流传热。图5.复合材料结构示意图Fig.5 Sketch map of composites本文通过改变柔性气凝胶制备过程中的化学组成和工艺参数，获得了共计6种不同的柔性纳米隔热材料，其中 0#为陶瓷纤维毡本体材料，并未复合柔性气 凝胶。各试样具体情况如表1所示：表1.几种柔性隔热材料的石英灯背面温升试验结果Table.1 Test ing results of in sulati on performa nee of several composites编号密度，g/cm3背面温度，C0# 0.215285.31# 0.266231.92# 0.259237.03# 0.231276.04# 0.259212.95# 0.247263.5表1表明，不同工艺参数条件下获得的纳米气凝胶复合材料都能够降低复合 材料的背温，但降低的幅度并不相同。图6所示相应的复合材料微观结构能够很 好地解释这一现象。从图6可以看出，其中4#材料的表观密实程度最高，没有 出现明显的裂纹和缺陷，而其它四种材料却不同程度地存在一定的缺陷。从传热学角度考虑，裂纹和缺陷都是气体热传导的通路， 尽管缺陷和裂纹的尺寸不足以 引起对流传热，但是气体热传导（相对于纳米隔热材料，静止空气的热导率也是0#1#2#3#4#5#图6.扫描电镜图谱Fig.6 SEM images of differe nt composites非常显著的）的影响已经足以导致这几种材料的隔热性能表现出显著的差别。因此，材料的背温并非与其密度和制备时的工艺参数具有对应关系，而是与材料的微观结构密切相关。4# 式样表观密实程度最高，对气体分子的热传导和对流传热 抑制作用最为明显，同时，由于气凝胶本身的热导率极低，其对固体热传导的增 加几乎可以忽略。这就是 4#材料能够最大幅度降低材料背温的原因，这一结论与上文的理论分析相一致4. 结论本文依据传热学原理，对柔性热防护材料进行改进设计，得到如下结论：1. 多层反射结构能够有效地降低材料的红外辐射传热；2. 纳米气凝胶结构的引入，在微量增加固体热传导的同时有效地抑制了气 体分子的热传导和对流传热；两者相结合，能够较大幅度地提高柔性隔热材料的 隔热性能。这一结论，为进一步提高材料的隔热性能而进行材料设计提供了必要 的依据。参考文献1 苏芳，孟宪红 .三种典型热防护系统发展概况 .飞航导弹， 2006(10),57-602 王思青 ,张长瑞 ,周新贵等 .重复使用运载器陶瓷热防护系统 .导弹与航天运载技术,2004(3),37-413 邓蔚,钱立军 .纳米孔硅质绝热材料 .宇航材料工艺， 2002(1),1-74 C. W. Keller, Thermal Performance of Multilayer Insulation. NASA, CR-134477,1974.5 Kamran Daryabeigi. Thermal Analysis and Design of Multi-layer Insulation for Re-entryAerodynamic Heating. AIAA, 2001-2834.8