一种高温透波-主动冷却一体化材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高温透波

【技术实现步骤摘要】
一种高温透波
‑
主动冷却一体化材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及高温透波及主动冷却
，具体而言，涉及一种高温透波
‑
主动冷却一体化材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]飞行器发动机工作时，推进剂燃烧产生高温高速气流，温度可高达3000K以上，发动机的喷注器面板、燃烧推力室内壁、喉衬、喷管等部位承受高温燃气流作用，如不采取有效的冷却措施，就可能发生烧蚀破坏。
[0003]主动冷却是一种面向高热流密度恶劣热环境的极具前景的热防护技术，难熔金属基发汗材料W
‑
Cu、Mo
‑
Cu、W/Mo
‑
Cu等材料是第一代主动发汗冷却材料，但其存在重量高的缺陷，面对航天飞行领域对材料轻质化的不断追求，石墨基复合材料得到应用，但其润湿性差且制备工艺复杂，并没有得到很好地应用。因此，本领域亟需一种适用于高温工作环境的比重小且主动冷却性能优异的材料。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种高温透波
‑
主动冷却一体化材料及其制备方法，本专利技术的高温透波
‑
主动冷却一体化材料可适用于飞行器发动机的高温工作环境(3000K以上)、其比重小且主动冷却性能优异。
[0005]一方面，本专利技术提供了一种高温透波
‑
主动冷却一体化材料，所述高温透波
‑
主动冷却一体化材料为氮化硅陶瓷材料，其中，所述氮化硅陶瓷材料为由β
‑/>Si3N4柱状晶搭接而成的具备若干搭接孔的空间网络骨架结构；在所述氮化硅陶瓷材料中还均匀分布有与所述搭接孔配合的第一孔，所述第一孔的孔径大于搭接孔的孔径；所述β
‑
Si3N4柱状晶的直径为200
‑
500nm、长径比为20
‑
30。
[0006]在本专利技术的一些实施方式中，所述氮化硅陶瓷材料的孔隙率为45％
‑
65％、搭接孔孔径为0.5
‑
1.5μm、第一孔孔径为1.5
‑
3μm、渗透率＞1
×
10
‑
14
m2。
[0007]另一方面，本专利技术还提供了一种上述任一项所述的高温透波
‑
主动冷却一体化材料的制备方法，包括以下步骤：S1、混合氮化硅粉、造孔剂以及碱性水溶液，反应完全后干燥，得到原料粉体；S2、将所述原料粉体与烧结助剂、分散剂混合球磨，得到氮化硅基陶瓷料浆；S3、将所述氮化硅基陶瓷料浆成型后经烧结、加工，得到所述高温透波
‑
主动冷却一体化材料。
[0008]在本专利技术的一些实施方式中，S1步骤中，所述造孔剂的用量为氮化硅粉用量的10wt％
‑
15wt％，所述碱性水溶液的用量满足以下条件：氮化硅、造孔剂以及碱性水溶液混合后的pH＝9
‑
10。
[0009]在本专利技术的一些实施方式中，S2步骤中，按重量份数计，将80
‑
92份原料粉体与4
‑
10份烧结助剂、0.2
‑
2份分散剂混合球磨，得到氮化硅基陶瓷料浆。
[0010]在本专利技术的一些实施方式中，所述造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇、
聚乙烯醇缩丁醛脂、聚乙二醇、酚醛树脂中的至少一种，所述碱性水溶液为四甲基氢氧化铵、乙基氢氧化铵、丙基氢氧化铵中的至少一种，所述烧结助剂为稀土氧化物，所述分散剂为四甲基氢氧化铵或聚丙烯酸铵。
[0011]在本专利技术的一些实施方式中，所述烧结助剂为氧化钇、氧化镧、氧化铈中的至少一种。
[0012]在本专利技术的一些实施方式中，S2步骤中，将所述原料粉体与烧结助剂和分散剂混合球磨，之后在65
‑
95℃下水浴加热并保温4
‑
24h，得到氮化硅基陶瓷料浆。
[0013]在本专利技术的一些实施方式中，S3步骤中，所述氮化硅基陶瓷料浆通过凝胶注模成型的方式成型后，于0
‑
30℃下固化，得到氮化硅基陶瓷坯体，经烧结、加工，得到所述高温透波
‑
主动冷却一体化材料。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，S3步骤中，所述氮化硅基陶瓷坯体在温度为1650
‑
1750℃、压力为0.3
‑
2MPa的氮气气氛下烧结1
‑
4h，冷却后进行加工，得到所述高温透波
‑
主动冷却一体化材料。
[0015]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0016](1)本专利技术的高温透波
‑
主动冷却一体化材料为氮化硅陶瓷材料，具备高温透波功能，可适用于高温工作环境下使用，尤其适用于飞行器发动机的高温工作环境(3000K以上)，即具备高温透波性能；β
‑
Si3N4柱状晶的直径为200
‑
500nm、长径比为20
‑
30，搭接出的空间网络骨架结构的搭接孔孔径为0.5
‑
1.5μm，孔径小而均匀，在兼具高强度的同时孔隙率高(孔隙率为45％
‑
65％)，毛细力高，散热能力强，主动冷却效果优异，且该多孔氮化硅陶瓷材料比重小，满足航天飞行领域对材料轻质化的需求；本专利技术氮化硅陶瓷材料中还均匀分布有与搭接孔配合的第一孔，第一孔孔径为1.5
‑
3μm，第一孔孔径大于搭接孔孔径，第一孔及其孔径的设计，对氮化硅陶瓷材料的强度及毛细力、渗透率(渗透率＞1
×
10
‑
14
m2)等性能进行协调，在保证高强度的同时保证散热能力、主动冷却效果，另外，实际应用时，当出现局部过热时，本专利技术的均匀小孔径搭接孔配合均匀分布的大孔径第一孔，实现大小孔径的交错、均匀分布，可有效避免单一孔径时材料骨架膨胀导致膨胀处流阻增加抑制主动发汗冷却效果的问题，有效解决材料孔隙热胀阻塞问题；本专利技术的高温透波
‑
主动冷却一体化材料实现了高强度、高渗透率，并且兼具高温透波性能与主动冷却性能，与传统材料相比，与工质相容性好，满足高超声速飞行器高强轻量化要求。
[0017](2)本专利技术制备方法以氮化硅粉、造孔剂以及碱性水溶液为原料，制备原料粉体，将pH调节至9
‑
10之间，使Zeta电位绝对值最大，改变氮化硅表面双电子层厚度以调节颗粒间排斥力的作用，进而达到混合均匀的目的；造孔剂的添加使得材料内同时存在β
‑
Si3N4空间网络骨架的搭接孔孔隙和由造孔剂挥发造孔形成的较大的第一孔孔隙，造孔剂的用量为氮化硅粉用量的10wt％
‑
15wt％，在该用量范围内，材料中造孔孔隙(第一孔孔隙)仍能保持间隔均匀分布，一方面兼顾了氮化硅陶瓷材料的强度及毛细力、渗透率等性能间的协调，在保证高强度的同时保证散热能力、主动冷却效果，另一方面在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温透波
‑
主动冷却一体化材料，其特征在于，所述高温透波
‑
主动冷却一体化材料为氮化硅陶瓷材料，其中，所述氮化硅陶瓷材料为由β
‑
Si3N4柱状晶搭接而成的具备若干搭接孔的空间网络骨架结构；在所述氮化硅陶瓷材料中还均匀分布有与所述搭接孔配合的第一孔，所述第一孔的孔径大于搭接孔的孔径；所述β
‑
Si3N4柱状晶的直径为200
‑
500nm、长径比为20
‑
30。2.如权利要求1所述的高温透波
‑
主动冷却一体化材料，其特征在于，所述氮化硅陶瓷材料的孔隙率为45％
‑
65％、搭接孔孔径为0.5
‑
1.5μm、第一孔孔径为1.5
‑
3μm、渗透率＞1
×
10
‑
14
m2。3.如权利要求1或2所述的高温透波
‑
主动冷却一体化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、混合氮化硅粉、造孔剂以及碱性水溶液，反应完全后干燥，得到原料粉体；S2、将所述原料粉体与烧结助剂、分散剂混合球磨，得到氮化硅基陶瓷料浆；S3、将所述氮化硅基陶瓷料浆成型后经烧结、加工，得到所述高温透波
‑
主动冷却一体化材料。4.如权利要求3所述的高温透波
‑
主动冷却一体化材料的制备方法，其特征在于，S1步骤中，所述造孔剂的用量为氮化硅粉用量的10wt％
‑
15wt％，所述碱性水溶液的用量满足以下条件：氮化硅、造孔剂以及碱性水溶液混合后的pH＝9
‑
10。5.如权利要求3所述的高温透波
‑
主动冷却一体化材料的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：盖莹，朱保鑫，王洪升，张萍萍，王永昊，邵长涛，
申请(专利权)人：山东工业陶瓷研究设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：