三维补强的烧蚀/绝热复合材料制造技术

本发明专利技术涉及三维补强的烧蚀／绝热复合材料，该材料包括以高密度织物为基础的烧蚀层和以低密度树脂为基础的绝热层，后者被化学结合在烧蚀层上。这种复合材料进一步包括耐热纤维线，这些线穿过烧蚀层并在绝热层内形成补强环。这些补强环被优选以化学和机械的方法束缚在绝热层中。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的技术背景高性能的重返大气层的运载工具和拦截导弹将在特殊条件下经受加热，该条件对其面上的常规隔热材料的烧蚀和(或)绝热能力提出挑战。这些条件包括隔热材料在导弹穿越大气层爬升或重返大气层期间将短时间地暴露在非常高的温度下，该温度将使任何已知材料消融。这些条件还包括在大气层中滑翔时长期暴露在热通量水平比较低的环境中，该环境可能在隔热材料的内部产生升高的温度，从而削弱其绝热性能。通常，适合高性能的弹道重返大气层使用的热防护材料(例如，织物带缰绕的碳酚醛复合材料和硅酚醛复合材料)烧蚀性能尚好，但绝热能力在长时间吸热后则不足以抵当过度加热，除非采用过量的绝热材料。以前，为了提高高密度复合织物烧蚀层的绝热能力曾经将许多这类的烧蚀层叠合起来，用粘接剂、缝合、和/或补强零件或紧固件来束缚它们。但是，提供充分绝热所需的高密度烧蚀层过重，为了适应这部分额外重量，射程和/或有效载荷将有所下降。另一方面，重量轻的低密度树脂泡沫塑料或蜂窝结构已被用作绝热内层，该内层借助树脂与外部的复合织物热屏蔽层粘接形成叠层材料，以便以较低的重量提供适当的烧蚀/绝热防护。但是，许多这类叠层材料在飞行期间可能经历的恶劣热环境中已经分层。所以，需要一种烧蚀/绝热复合材料，它既有充分的热防护能力，重量又轻、而且在使用中不发生故障(如分层)。本专利技术概述本专利技术涉及三维补强的烧蚀/绝热复合材料，该材料包括以高密度织物为基础的烧蚀层和以低密度树脂为基础的绝热层，后者被化学束缚在烧蚀层上。这种复合材料进一步包括耐热纤维线，它穿过烧蚀层并在绝热层内形成补强环。这些补强环被优选以化学和机械的方法束缚在绝热层中。本专利技术的优点是提供了一种适合用作热屏蔽的轻质材料，在弹道飞行期间隔绝烧蚀加热，在非弹道飞行期间抵御渗透热。本专利技术的另一个优点是烧蚀层和绝热层之间的结合已得到多方向的补强，从而降低了分层的或然率。附图简要说明附图说明图1是本专利技术的三维补强烧蚀/绝热复合材料的一个实施方案的截面图，特别强调线补强环，它增强了烧蚀层与绝热层之间的结合。本专利技术的详细叙述在图1中，三维补强的烧蚀/绝热复合材料10包括以织物为基础的烧蚀层12。在这里定义的以织物为基础的烧蚀层包括一层或一层以上的织物层或织物，它具有与材料有关的耐烧蚀性(取决于该材料的汽化热和材料的密度)，并且它的总厚度通常将防止导弹或运载工具在穿越大气层作弹道飞行(如导弹爬升或运载工具重返大气层)期间和非弹道飞行(如滑翔)期间由于过热而遭受损坏。烧蚀层12的耐烧蚀性是依据烧蚀层12的厚度损失或重量损失来测算的。优选的是，在导弹爬升或重返大气层期间烧蚀层12全部消耗掉，而基本结构(如运载工具或导弹)不受损坏。具有适合本专利技术的汽化热的织物实例包括碳素织物和含硅的织物。织物可以是纺织品，编织品或无纺布。优选的是，织物将具有较高的纤维密度，从而具有较高的材料密度，就象在机织织物中出现的那样。更优选的是织物具有缎纹组织。为了进一步提高材料密度，织物经受浸渍，或包含至少一种与织物材料相容的耐烧蚀的非纤维材料。这种材料实例包括石墨或固化的树脂，如酚醛树脂、硅氧烷树脂、环氧树脂或聚酰亚胺。例如，优选的是经过浸渍带有固化的酚醛树脂的碳素织物，如在实施例1中所述，和经过浸渍带有固化的硅氧烷树脂的含硅织物。在更优选的实施方案中，其中的烧蚀层12包含碳素织物预制件，该预制件进一步包含无定形的碳和/或石墨形态的碳，借助技术上已知的沉积和致密方法使它们沉积在材料中，即在织物纤维上和/或在织物的孔隙中。这类方法的实例包括采用诸如化学蒸汽渗入和沉积的方法，利用气态或液态的烃在预制件内高温裂解，让石墨态的碳沉积在预制件中，以达到沉积石墨的目的。在授权给Houdayer等人的美国专利U.S.4,472,454、授权给Golecki等人的美国专利U.S.5,348,774和授权给Thurston等人的美国专利U.S.5,389,152中进一步介绍了适合在碳素织物中使碳致密的方法实例。另一方面，碳素织物预制件可以用可碳化树脂(如环氧树脂或酚醛树脂)浸渍，然后再让该树脂碳化，以便在预制件内形成无定形的或石墨态的碳。烧蚀层14应当有高密度，通常大约是1.25g/cc或者更高，对于以碳素织物为基础的烧蚀层，优选的是1.35g/cc或者更高。对于以硅为基础的烧蚀层，烧蚀层14的密度通常大约是1.5g/cc或者更高。通常，可以借助增加织物的总厚度进一步改进耐烧蚀性。但是，借助增加织物总厚度来提高耐烧蚀性必须权衡其增加导弹或运载工具重量的利弊。在优选的实施方案中，为了增加烧蚀层中织物厚度，可以将多层织物14用粘接、层压或其它方法紧固在一起，制成在烧蚀层12中使用的织物叠层组件或预制件。更优选的是用耐热线16将多层织物14缝合起来，其中耐热线在加热到复合材料的设计温度时(例如用于弹道防护的大约为5000°F；用于非弹道防护的大约为2000°F)将不会严重降解。适当的耐热线实例包括以碳和硅为基础的线。更优选将织物层14象实施例1介绍的那样锁式缝合。在多层织物层14被缝合时，每平方英寸表面积上所缝合的针数要足以使该多层织物层14被结合，并且沿着线迹为分解产物提供逸出路径，其中分解产物是暴露在高温如烧蚀温度下的烧蚀层12产生的。否则，聚集在织物层14之间的分解产物可能导致经过浸渍的织物复合材料剥落。通常，织物层14被锁式缝合在一起，每平方英寸表面积至少缝9针，更优选的是每平方英寸至少缝16针。最优选的是线16的线迹间隔均匀。对于适合弹道条件的烧蚀防护，优选采用碳素织物作烧蚀层，因为单位重量碳素织物提供的烧蚀防护等级非常高。碳素织物应当有适当的碳含量，以便阻止织物在4000°F至5000°F的烧蚀温度下发生显著的热降解。通常，碳含量大约是90wt％(重量百分比，下同)或更高。更优选的是，碳含量大约为92wt％或更高。通常，适合烧蚀防护的碳素织物总厚度在大约0.01英寸至1.0英寸之间，优选的是总厚度为大约0.05英寸或更厚。最优选的是适合弹道烧蚀防护的织物总厚度介于大约0.03英寸至0.6英寸之间。关于碳素织物复合材料的进一步介绍在实施例1中提供。对于非弹道的渗透热条件下的热防护，含硅织物优选用作烧蚀层材料，例如石英纤维织物、氮化硅纤维织物或碳化硅纤维织物。通常含硅织物的总厚度介于大约0.05英寸至1.0英寸之间，优选介于大约0.25英寸至0.75寸之间。关于石英纤维织物复合材料的进一步的介绍在实施例2中提供。复合材料还包括大量的耐热纤维线18，它们从烧蚀层外表面20向内表面延伸，穿过烧蚀层内表面22，并在内表面22的另一侧形成补强环24。补强环24的作用是提供大量的锚定点，它们以化学的和/或机械的方法固定在以树脂为基础的绝热层26中，从而对烧蚀层12和绝热层26之间的连接提供三维补强。优选的是，补强环24还包含固化的热固型树脂，该热固型树脂与包含在绝热层中的固化树脂相容并以化学方法与它粘接在一起。补强环24的数量必须足以防止烧蚀层12在烧蚀条件下与绝热层26分离。这个数量还取决于补强环24在绝热层26内的长度。通常，复合材料应当在每平方英寸表面积上至少有9条线18和9个补强环24，其中补强环24的长度至少为0.5英寸。更为优选的是，每平方英寸表面积本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维补强的烧蚀／绝热复合材料，其中包括： （ａ）以高密度织物为基础的烧蚀层； （ｂ）大量的耐热纤维线的缝合，其中所述耐热线的缝合穿过烧蚀层并在烧蚀层内表面以外，形成补强环；以及 （ｃ）以低密度树脂为基础的绝热层，其中所述绝热层在所述补强环周围形成并被束缚在烧蚀层的内表面上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：小简J道斯特，安东尼R弗兰茨多，
申请(专利权)人：泰克斯特兰系统公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]