一种轻质高效隔热防护结构
| 专利类型 | 发明授权 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN202411164054.1 | 申请日 | 2024-08-23 |
| 公开(公告)号 | CN118927720B | 公开(公告)日 | 2025-04-11 |
| 申请人 | 中国兵器装备集团西南技术工程研究所; | 申请人类型 | 科研院所 |
| 发明人 | 吴护林; 李忠盛; 董玲抒; 黄安畏; 孙彩云; 易同斌; 丛大龙; 唐晶晶; 彭星; 罗明波; | 第一发明人 | 吴护林 |
| 权利人 | 中国兵器装备集团西南技术工程研究所 | 权利人类型 | 科研院所 |
| 当前权利人 | 中国兵器装备集团西南技术工程研究所 | 当前权利人类型 | 科研院所 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：重庆市 | 城市 | 当前专利权人所在城市：重庆市九龙坡区 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：重庆市九龙坡区渝州路33号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：400039 |
| 主IPC国际分类 | B32B3/30 | 所有IPC国际分类 | B32B3/30 ; B32B15/08 ; B32B27/28 ; B32B27/06 ; B32B9/04 ; B32B33/00 ; B64C1/40 |
| 专利引用数量 | 4 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 2 | 专利文献类型 | B |
| 专利代理机构 | 重庆晶智汇知识产权代理事务所 | 专利代理人 | 李毅; |
| 摘要 | 本 发明 提供一种轻质高效 隔热 防护结构，涉及功能性 复合材料 领域，包括热面保护层（10）、隔 热层 与冷面保护层（30），隔热层由热阻层（21）与反射层（22）交替层叠而成，热阻层（21）的数量为n、反射层（22）的数量为n+1，n不小于1；反射层（22）为采用A面聚酰亚胺 薄膜 （221）、 镀 铝 层（222）、B面聚酰亚胺薄膜（223）形成的夹层结构，且B面聚酰亚胺薄膜（223）靠近热面保护层（10）、A面聚酰亚胺薄膜（221）靠近冷面保护层（30）。该隔热防护结构能解决现有防护结构高温隔热效果差，耐湿热、耐盐雾、耐振动性能差，厚度大、面 密度 大、重量大，易出现破裂、 变形 等问题。 | ||
| 权利要求 | 1.一种轻质高效隔热防护结构，其特征在于：包括热面保护层、隔热层与冷面保护层，隔热层由热阻层与反射层交替层叠而成，热阻层的数量为n、反射层的数量为n+1，n不小于 |
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| 说明书全文 | 一种轻质高效隔热防护结构技术领域背景技术[0002] 伞舱，即飞机上用于装载回收伞或减速伞的舱段；在发动机辐射热量与气动加热的影响下，若伞舱温度过高，不仅会造成回收伞或减速伞本身织物难以承受，压油的炭化还会造成回收伞或减速伞无法正常释放，进而造成严重的安全事故。因此，在设计制造过程中，需要对伞舱进行有效的隔热防护，进而将伞舱内壁温度控制在材料特性允许的范围内，以提升回收伞或减速伞工作的可靠性和安全性。 [0003] 现有隔热防护结构通常采用铝箔直接作为反射层，其存在以下问题：一是铝箔的发射率会随着温度的升高而增加、进而导致反射能力降低；二是现有隔热防护结构为非完全密封结构，在使用过程中，存在大气、液体等进入隔热防护结构内部、侵蚀反射层的可能性，极易导致隔热效果降低。同时，现有隔热防护结构会通常采用金属层作为复合结构的保护层，但直接采用光滑的金属结构作为保护层，当隔热产品面积较大时，隔热防护结构整体强度低、易变形，且金属结构的厚度大、面密度大、重量大，在使用过程中易出现破裂、褶皱等问题，直接影响其防护性能与隔热性能；此外，采用金属结构与隔热材料结合时，为保证整体结构的稳定性，金属结构通常会与隔热材料紧密贴合，这样极易在金属结构上形成热传导、产生热量聚集，直接影响隔热材料的隔热效果。 发明内容[0004] 针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种轻质高效隔热防护结构，该隔热防护结构能够有效解决现有防护结构高温隔热效果差，耐湿热、耐盐雾、耐振动性能差，厚度大、面密度大、重量大，易出现破裂、变形等问题，具有轻质、高效隔热、长效稳定防护等特点。 [0005] 本发明的目的通过以下技术方案实现： [0006] 一种轻质高效隔热防护结构，包括热面保护层、隔热层与冷面保护层，隔热层由热阻层与反射层交替层叠而成，热阻层的数量为n、反射层的数量为n+1，n不小于1（即靠近热面保护层、冷面保护层的均为反射层）；反射层为采用A面聚酰亚胺薄膜、镀铝层、B面聚酰亚胺薄膜形成的夹层结构，且B面聚酰亚胺薄膜靠近热面保护层、A面聚酰亚胺薄膜靠近冷面保护层。 [0007] 由于反射层与热阻层之间膨胀系数存在差异、致使反射层与热阻层之间易产生应力集中，从而导致层间开裂，并逐渐形成向外扩展，使得隔热防护结构失效、导热系数升高、降低其热防护能力；本申请通过特定热阻层与反射层的叠层配合，有效提高层间剪切性能，在热冲击的过程中，能够抑制分层损伤的扩展，从而杜绝层间开裂、保证隔热防护结构的整形性。同时，通过A面聚酰亚胺薄膜、镀铝层、B面聚酰亚胺薄膜形成的夹层设计，利用具有低面密度、优异的热稳定性、阻燃性和机械性能的聚酰亚胺薄膜对铝层进行保护，避免铝箔的发射率会随着温度的升高而增加以及外界侵蚀对铝层的影响，进而提高反射层的耐湿热、耐盐雾等环境适应性。此外，利用高反射率、低粗糙度的铝层作为夹层结构的中间层，一是无需胶粘剂、利用铝层实现两层聚酰亚胺薄膜的结合，提升反射层的整体性；二是形成绝热梯度，即内层为热反射率高、导热系数较高的铝层，包覆外层为导热系数低的聚酰亚胺薄膜，通过层间反射与阻隔、实现热辐射与热传递的有效衰减，进而提高整个反射层的隔热性能。 [0008] 基于上述方案的进一步优化，所述热面保护层与冷面保护层均采用金属压花钛箔结构，即在平整钛箔结构的表面设置呈阵列分布的凸起，热面保护层的凸起朝向远离隔热层的一侧凸出、冷面保护层的凸起朝向靠近隔热层的一侧凸出。 [0009] 基于上述方案的进一步优化，所述热面保护层、冷面保护层的凸起形状采用米粒状、珍珠状、水滴状中的任一种。 [0010] 基于上述方案的进一步优化，所述热面保护层与冷面保护层的厚度均为0.03～0.1mm；凸起的直径为1～2.5mm、高度为0.4～1.0mm；相邻两个凸起之间的距离为4～8mm；保 4 4 护层（即热面保护层或冷面保护层）中单位面积的凸起的个数为1.5x10～6x10个。 [0011] 通过凸起的设置，一是利用凸起压制过程中形成的产生的应变硬化效应，提升热面保护层与冷面保护层的刚度，进而提升防护结构的整体刚度，实现对内部隔热层的保护；二是通过均匀分布凹凸不平的凸起、减少保护层成型过程中形成的皱褶，进而减少失效的薄弱点、避免保护层出现破损，提高防护结构整体耐液体浸渗能力；三是通过热面保护层向外的凸起，将防护结构表面的反射面由镜面反射转换为点阵式的漫反射，扩大热量的反射面积、提升反射效率；四是利用热面保护层的凸起与隔热层之间形成空腔矩阵，从而改变层间流场、形成微气隙，有效阻隔热传导，提升隔热效果；五是通过冷面保护层的凸起，将冷面保护层与隔热层之间的接触由面接触转换为点接触，减少热传导面积、避免温度聚集点的形成，实现阻隔后剩余热量的均匀、快速逸散。此外，通过冷面保护层与基体之间形成的空腔矩阵，通过层间流场的微气隙，进一步提升剩余热量的逸散速率，提升隔热效果。 [0012] 基于上述方案的进一步优化，所述热阻层的厚度为0.5～5mm；热阻层采用玄武岩纤维增强二氧化硅气凝胶毡，其中，玄武岩纤维的直径不大于6μm，玄武岩纤维与二氧化硅气凝胶的质量比为1：0.78～1，玄武岩纤维增强二氧化硅气凝胶毡常温下的导热系数为0.017～0.020W/（m•K）。 [0013] 采用直径细小的玄武岩纤维作为纳米多孔的二氧化硅气凝胶的增强纤维，能够有效限制纤维本身的固体热传导，使玄武岩纤维毡本身具有较低的导热系数；同时，采用短直径的玄武岩纤维形成低体密度预制体，在保证纤维增强气凝胶复合材料力学性能的同时进一步降低其体密度，且纤维预制体的直径与近红外辐波长接近，进而让对近红外辐射线产生强力的衍射与散射作用，从而进一步提升高温红外辐射热传导阻隔作用；此外，通过玄武岩纤维的添加，能够有效解决纯的气凝胶脆性大、易断韧等问题。 [0014] 基于上述方案的进一步优化，所述玄武岩纤维增强二氧化硅气凝胶毡的体积密度3 3 为150～170kg/m，玄武岩纤维形成的预制体的体密度为80～90kg/m，二氧化硅气凝胶体密 3 度为70～80kg/m。 [0015] 基于上述方案的进一步优化，所述A面聚酰亚胺薄膜的厚度为20～30μm，镀铝层的厚度为100～200nm，B面聚酰亚胺薄膜的厚度为4～6μm。 [0016] 以下是本发明技术方案所具备的效果： [0017] 本申请通过热面保护层、冷面保护层以及层叠交错的反射层‑…‑热阻层‑…‑反射层的结构设计，利用热面保护层与冷面保护层对反射层‑…‑热阻层‑…‑反射层形成的隔热层进行保护，有效避免外部大气、液体等渗入，从而对具有纳米多孔的二氧化硅气凝胶的热阻层的隔热性能产生影响，确保防护结构隔热性能的长期稳定性与有效性；且通过热面保护层与冷面保护层的结合、实现防护外壳结构一体化，从而提升隔热防护结构的整体性、连接可靠性以及其整体的耐浸渗、耐腐蚀能力等。同时，利用聚酰亚胺薄膜与铝层形成的夹层结构，实现双重保护，避免厚度较薄的反射铝层受到渗漏液体、气体等影响而造成的反射率降低等问题。此外，通过热面保护层与冷面保护层的结构与隔热层进行配合，进一步提高防护结构整体的隔热性能，有效避免温度聚集点的形成，确保隔热的稳定性与长效性。本申请防护结构整体原理清晰、简单可靠、轻量化程度高，可用于多种领域特殊设备在120～350℃高温环境下的隔热防护，适用范围广。附图说明 [0018] 图1为本发明实施例中隔热防护结构的整体结构示意图。 [0019] 图2为图1中A的局部放大图。 [0020] 图3为本发明实施例中隔热防护结构的热面保护层的结构示意图。 [0021] 其中，10、热面保护层；21、热阻层；22、反射层；221、A面聚酰亚胺薄膜；222、镀铝层；223、B面聚酰亚胺薄膜；30、冷面保护层。 具体实施方式[0022] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 [0023] 实施例1： [0024] 一种轻质高效隔热防护结构，参见图1所示，包括热面保护层10、隔热层与冷面保护层30，热面保护层10与冷面保护层30均采用金属压花钛箔结构，即在平整钛箔结构的表面设置呈阵列分布的凸起（如图3所示），热面保护层10的凸起朝向远离隔热层的一侧（即图1所示的上侧）凸出、冷面保护层30的凸起朝向靠近隔热层的一侧（即图1所示的上侧）凸出； 热面保护层10、冷面保护层30的凸起形状采用米粒状；热面保护层10与冷面保护层30的厚度均为0.03mm（热面保护层10与冷面保护层30处于平整状态下的钛箔厚度）；凸起的直径为 1mm、高度为0.4mm；相邻两个凸起之间的距离为4mm；保护层（即热面保护层10或冷面保护层 4 30）中单位面积的凸起的个数为6x10个。 [0025] 隔热层由热阻层21与反射层22交替层叠而成，热阻层21的数量为n、反射层22的数量为n+1，n不小于1（即靠近热面保护层10、冷面保护层30的均为反射层22；热阻层21与反射层22的具体数量根据实际需求的隔热效果进行确定，例如本实施例中采用五层热阻层21+六层反射层22的结构）；热阻层21的厚度为2mm，热阻层21采用玄武岩纤维增强二氧化硅气凝胶毡，其中，玄武岩纤维的直径不大于6μm，玄武岩纤维与二氧化硅气凝胶的质量比为1：0.78，玄武岩纤维增强二氧化硅气凝胶毡常温下的导热系数为0.020W/（m•K）；玄武岩纤维 3 增强二氧化硅气凝胶毡的体积密度为159.74kg/m ，玄武岩纤维形成的预制体的体密度为 3 3 89.74kg/m，二氧化硅气凝胶体密度为70kg/m。 [0026] 参照图2所示：反射层22为采用A面聚酰亚胺薄膜221、镀铝层222、B面聚酰亚胺薄膜223形成的夹层结构，且B面聚酰亚胺薄膜223靠近热面保护层10、A面聚酰亚胺薄膜221靠近冷面保护层30（即针对单层反射层22的B面聚酰亚胺薄膜223与A面聚酰亚胺薄膜221之间相对而言，B面聚酰亚胺薄膜223更靠近热面保护层10、A面聚酰亚胺薄膜221更靠近冷面保护层30）；A面聚酰亚胺薄膜221的厚度为20μm，镀铝层222的厚度为100nm，B面聚酰亚胺薄膜223的厚度为4μm。 [0027] 实施例2： [0028] 一种轻质高效隔热防护结构，参见图1所示，包括热面保护层10、隔热层与冷面保护层30，热面保护层10与冷面保护层30均采用金属压花钛箔结构，即在平整钛箔结构的表面设置呈阵列分布的凸起（如图3所示），热面保护层10的凸起朝向远离隔热层的一侧（即图1所示的上侧）凸出、冷面保护层30的凸起朝向靠近隔热层的一侧（即图1所示的上侧）凸出； 热面保护层10、冷面保护层30的凸起形状采用珍珠状；热面保护层10与冷面保护层30的厚度均为0.06mm（热面保护层10与冷面保护层30处于平整状态下的钛箔厚度）；凸起的直径为 1.5mm、高度为0.7mm；相邻两个凸起之间的距离为6mm；保护层（即热面保护层10或冷面保护 4 层30）中单位面积的凸起的个数为3.8x10个。 [0029] 隔热层由热阻层21与反射层22交替层叠而成，热阻层21的数量为n、反射层22的数量为n+1，n不小于1（即靠近热面保护层10、冷面保护层30的均为反射层；热阻层21与反射层22的具体数量根据实际需求的隔热效果进行确定，例如本实施例中采用五层热阻层21+六层反射层22的结构）；热阻层21的厚度为2mm，热阻层21采用玄武岩纤维增强二氧化硅气凝胶毡，其中，玄武岩纤维的直径不大于6μm，玄武岩纤维与二氧化硅气凝胶的质量比为1： 0.85，玄武岩纤维增强二氧化硅气凝胶毡常温下的导热系数为0.018W/（m•K）；玄武岩纤维 3 增强二氧化硅气凝胶毡的体积密度为163.24kg/m ，玄武岩纤维形成的预制体的体密度为 3 3 88.24kg/m，二氧化硅气凝胶体密度为75kg/m。 [0030] 参照图2所示：反射层22为采用A面聚酰亚胺薄膜221、镀铝层222、B面聚酰亚胺薄膜223形成的夹层结构，且B面聚酰亚胺薄膜223靠近热面保护层10、A面聚酰亚胺薄膜221靠近冷面保护层30（即针对单层反射层22的B面聚酰亚胺薄膜223与A面聚酰亚胺薄膜221之间相对而言，B面聚酰亚胺薄膜223更靠近热面保护层10、A面聚酰亚胺薄膜221更靠近冷面保护层30）；A面聚酰亚胺薄膜221的厚度为25μm，镀铝层222的厚度为150nm，B面聚酰亚胺薄膜223的厚度为5μm。 [0031] 实施例3： [0032] 一种轻质高效隔热防护结构，参见图1所示，包括热面保护层10、隔热层与冷面保护层30，热面保护层10与冷面保护层30均采用金属压花钛箔结构，即在平整钛箔结构的表面设置呈阵列分布的凸起（如图3所示），热面保护层10的凸起朝向远离隔热层的一侧（即图1所示的上侧）凸出、冷面保护层30的凸起朝向靠近隔热层的一侧（即图1所示的上侧）凸出； 热面保护层10、冷面保护层30的凸起形状采用水滴状；热面保护层10与冷面保护层30的厚度均为0.1mm（热面保护层10与冷面保护层30处于平整状态下的钛箔厚度）；凸起的直径为 2.5mm、高度为1.0mm；相邻两个凸起之间的距离为8mm；保护层（即热面保护层10或冷面保护 4 层30）中单位面积的凸起的个数为1.5x10个。 [0033] 隔热层由热阻层21与反射层22交替层叠而成，热阻层21的数量为n、反射层22的数量为n+1，n不小于1（即靠近热面保护层10、冷面保护层30的均为反射层；热阻层21与反射层22的具体数量根据实际需求的隔热效果进行确定，例如本实施例中采用五层热阻层21+六层反射层22的结构）；热阻层21的厚度为2mm，热阻层21采用玄武岩纤维增强二氧化硅气凝胶毡，其中，玄武岩纤维的直径不大于6μm，玄武岩纤维与二氧化硅气凝胶的质量比为1：1，玄武岩纤维增强二氧化硅气凝胶毡常温下的导热系数为0.017W/（m•K）；玄武岩纤维增强二 3 3 氧化硅气凝胶毡的体积密度为160kg/m，玄武岩纤维形成的预制体的体密度为80kg/m，二 3 氧化硅气凝胶体密度为80kg/m。 [0034] 参照图2所示：反射层22为采用A面聚酰亚胺薄膜221、镀铝层222、B面聚酰亚胺薄膜223形成的夹层结构，且B面聚酰亚胺薄膜223靠近热面保护层10、A面聚酰亚胺薄膜221靠近冷面保护层30（即针对单层反射层22的B面聚酰亚胺薄膜223与A面聚酰亚胺薄膜221之间相对而言，B面聚酰亚胺薄膜223更靠近热面保护层10、A面聚酰亚胺薄膜221更靠近冷面保护层30）；A面聚酰亚胺薄膜221的厚度为30μm，镀铝层222的厚度为200nm，B面聚酰亚胺薄膜223的厚度为6μm。 [0035] 对比例1： [0036] 一种隔热防护结构，包括热面保护层、隔热层与冷面保护层，热面保护层的厚度、结构、材质等均与实施例2中一致，即为金属压花钛箔结构；冷面保护层厚度为0.06mm，且冷面保护层采用平整、光滑的钛箔结构。隔热层与实施例2中一致（包括热阻层与反射层的厚度、材料、层数等）。 [0037] 对比例2： [0038] 一种隔热防护结构，包括热面保护层、隔热层与冷面保护层，冷面保护层的厚度、结构、材质等均与实施例2中一致，即为金属压花钛箔结构；热面保护层厚度为0.06mm，且热面保护层采用平整、光滑的钛箔结构。隔热层与实施例2中一致（包括热阻层与反射层的厚度、材料、层数等）。 [0039] 对比例3： [0040] 一种隔热防护结构，包括热面保护层、隔热层与冷面保护层，热面保护层、冷面保护层的厚度、结构、材质等均与实施例2中一致，即为金属压花钛箔结构；隔热层由热阻层与反射层交替层叠而成，反射层的数量为n、热阻层的数量为n+1，n不小于1（即靠近热面保护层、冷面保护层的均为热阻层；热阻层与反射层的总层数与实施例2中一致），热阻层与反射层的厚度、材料等均与实施例2中的厚度、材料一致。 [0041] 对比例4： [0042] 一种隔热防护结构，包括热面保护层、隔热层与冷面保护层，热面保护层、冷面保护层的厚度、结构、材质等均与实施例2中一致，即为金属压花钛箔结构；隔热层由热阻层与反射层交替层叠而成，热阻层的数量、反射层的数量与实施例2保持一致；同时，热阻层21的厚度、材料与实施例2一致，反射层采用光滑、平整的铝箔结构且反射层的厚度与实施例2一致。 [0043] 性能测试：将实施例1～3和对比例1～4中获得的隔热防护结构试样（试样尺寸均为长400mm、宽300mm）固定在加热设备封闭内腔的支架上，同时，在试样的冷面均匀布置三个测温点（即热电偶），通过热电偶连续采集试样的冷面温度；在热面温度为300℃、环境温度为23℃、保温时间为1小时的情况下（实施例1～3与对比例1～4的其余测试条件均一致），测试结果如下表： [0044] [0045] 由上表能够明显看出：采用本申请特定结构的冷面防护层+热面防护层的外层、配合特定材料的反射层+热阻层的叠层结构组合，能够有效提升防护结构的隔热性能，在热面温度为300℃的长时间（即1小时）作用下，本申请制得的隔热防护结构的冷面平均温度不大于63℃，相较于对比例1～4中制得的隔热防护结构、冷面平均温度存在明显下降（对比例1～4中的冷面温度在70℃及以上）；同时，本申请制得的隔热防护结构各个测温点的温度差异小，证明本申请结构能够进行均匀散热，不存在温度聚集点，也间接证明本申请的层间隔热效果好。 |
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