本发明涉及热防护材料领域，尤其涉及一种表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构及其制备方法和应用。
背景技术：
1、基于航空航天和其他工业对轻重量、高耐热的柔性绝热材料的特殊需求，多层绝热材料被广泛应用于热防护系统中以使底层结构的温度保持在可接受的范围内。陶瓷纤维柔性隔热毯由石英针刺毯和石英布经石英缝纫线缝制而成，是航天飞机背风面大面积可重复使用热防护构件，其热防护性能已在航天飞机工程中得到充分验证。
2、美国nasa管辖的ames研究中心研制出第一代陶瓷纤维柔性隔热毯（advancedflexible reusable surface insulation, afrsi），用作航天飞机背风面大面积可重复使用热防护构件，在美国航天飞机工程中得到充分验证（sawko, p. m. and h. e.goldstein (1992). performance of uncoated afrsi blankets during multiplespace shuttle flights. http://ntrs.nasa.gov）。afrsi由石英针刺毯和石英布经石英缝纫线缝制而成。
3、此外，calamito的研究（calamito, d. p. (1989). tailorable advancedblanket insulation using aluminoborosilicate and alumina batting. nasacontractor report-177527）揭示了一种可裁剪的柔性隔热材料，获得新型结构形式的柔性隔热材料，在浮空器、飞船进入/返回舱减速伞热防护系统等方面具有重要应用价值。波音公司在美国专利9005702b2中揭示了一种用于航天用途的可重复使用的耐高温柔性隔热毯。
4、高超音速飞行器在上升和再入阶段必须承受极高的空气动力学加热和压力载荷，顶部的陶瓷织物容易撕裂和断裂，产生物理损伤并导致水汽渗入。对绝热毯的改进的方法，往往是增加陶瓷织物的密度来使绝热毯的高温力学强度提高，如中国公开号cn114714686a公布了一种抗氧化、低热导耐高温柔性隔热材料及其制备方法。但这种改进方法的抗气流冲刷的能力和导热效果等方面仍不理想，限制了陶瓷纤维绝热毯在工程上的应用。目前急需探寻一种新型表面强韧化超细陶瓷纤维柔性隔热结构，以确保构件具有高使用温度的同时，保证外表面的空气动力学平滑过渡，提高抗气流冲刷能力。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构及其制备方法和应用，本发明隔热结构（毯）柔性、轻质，并且具有耐高温、抗气流冲刷、韧性强和低导热系数等优异性能。
2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
3、第一方面，本发明提供的表面强韧化超细陶瓷纤维柔性隔热结构，包括由高温面向低温面依次叠层设置的高温合金箔、高温合金编织网和陶瓷纤维层；所述陶瓷纤维层包括依次叠层设置的高温面陶瓷纤维布、若干层陶瓷纤维填充层和低温面陶瓷纤维布，且相邻两层所述陶瓷纤维填充层之间设有反射屏；所述陶瓷纤维层由陶瓷纤维缝纫线固定，所述高温合金编织网和所述陶瓷纤维层之间通过高温合金缝纫线固定。本发明中，表面强韧化超细陶瓷纤维柔性隔热毯的受热面为高温面，背离受热面的一侧为低温面。本发明通过选用这种由高温面向低温面依次为高温合金箔、高温合金编织网和陶瓷纤维层的多层结构设计结合陶瓷纤维层及陶瓷纤维缝纫线和高温合金缝纫线固定方式，得到了具有柔性、轻质的同时具有耐高温、抗气流冲刷、韧性强和低导热系数等优异性能的柔性隔热毯。陶瓷纤维层将陶瓷纤维布、陶瓷纤维填充层和陶瓷纤维布以及反射屏，叠合形成一体化，缝纫线使用陶瓷纤维缝纫线，进一步提高了整体耐高温和隔热能力；高温面陶瓷纤维布包裹一层高温合金编织网，缝纫线使用高温合金缝纫线，能够防止陶瓷纤维层的高温面在高温热气流冲击下变脆及纤维脱落，增强陶瓷纤维层的高温面的抗撕裂强度；高温合金编织网表面被高温合金箔覆盖，可持续承受多次空气热流，保持顶部表面不弯曲，并且高温面为高温合金箔，还可以起到防止在特殊环境中水分的渗透和热流，并保证高温面的空气动力学平滑过渡的作用。
4、优选的，所述高温合金编织网的表面焊接一层所述高温合金箔，所述焊接优选为钎焊；所述高温面陶瓷纤维布对所述低温面陶瓷纤维布包边；所述高温合金编织网对所述高温面陶瓷纤维布封边。本发明中，高温合金编织网表面钎焊一层高温合金箔，可以进一步提高材料抗破损等性能，同时保持表面的平滑性，更适应高温和热流等特殊环境。同时采用高温面陶瓷纤维布对低温面陶瓷纤维布包边，这种设计增强了整体结构的稳定性，防止热流从边缘泄漏，进一步提高隔热效果。同时高温合金编织网对高温面陶瓷纤维布封边，进一步增强了材料的抗撕裂强度和耐用性，防止高温作用下陶瓷纤维变脆及脱落，确保在高温热气流冲击下的结构完整性和使用寿命。
5、作为优选，所述表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构的密度为150-300kg/m3，优选为160-200kg/m3。本发明提供的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构减轻了应用中的重量负担的同时保持了柔性、耐高温、抗气流冲刷、韧性强和低导热系数等效果。本发明的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构的密度可小于195kg/m³，例如195kg/m3、194kg/m3、193kg/m3、189kg/m3、188kg/m3、187kg/m3、185kg/m3、175kg/m3、165kg/m3等。
6、作为优选，所述陶瓷纤维层中，所述陶瓷纤维填充层为陶瓷纤维棉或陶瓷纤维毯。
7、作为优选，所述反射屏为铝箔或聚酰亚胺镀铝薄膜。
8、进一步优选，所述陶瓷纤维填充层的层数为2-11层，所述反射屏的层数为1-10层；优选的，所述反射屏的层数比所述陶瓷纤维填充层的层数少1层。本发明中，采用的反射屏和陶瓷纤维填充层的组合及参数，这种设计优化了隔热效果和结构强度，进一步提高了隔热结构的综合性能。
9、作为优选，所述陶瓷纤维填充层选自石英纤维棉、石英纤维针刺毯、氧化铝纤维棉和氧化铝纤维针刺毯中的一种或多种。
10、优选的，所述石英纤维针刺毯的厚度为5-20mm，体密度为0.05-0.2g/cm3。所述氧化铝纤维针刺毯的厚度为5-25mm，体密度为0.05-0.2g/cm3。
11、作为优选，所述陶瓷纤维缝纫线为氧化铝纤维纱线或石英纤维纱线；优选的，所述陶瓷纤维缝纫线经过涂层处理，所述涂层处理包括将经过捻度处理的陶瓷纤维缝纫线表层浸润聚四氟乙烯乳液。
12、优选的，所述陶瓷纤维缝纫线的尺寸为90-300tex。
13、本发明中，所述陶瓷纤维缝纫线采用经过涂层处理的（连续）氧化铝纤维纱线或（连续）石英纤维纱线；涂层处理包括将经过捻度处理的（连续）陶瓷纤维缝纫线表层浸润聚四氟乙烯乳液，经该（连续）处理后可增加陶瓷纤维缝纫线的润滑性，减少磨损断裂。
14、作为优选，所述高温面陶瓷纤维布为石英纤维布或氧化铝纤维布；所述低温面陶瓷纤维布为石英纤维布或氧化铝纤维布。
15、进一步优选，所述石英纤维布的二氧化硅含量为90%-99.9%；所述氧化铝纤维布的氧化铝含量为70%-99.9%，例如氧化铝含量为72%、80%、85%、95%或99%等。
16、进一步优选，所述高温面陶瓷纤维布的厚度为0.1-1.0mm；所述低温面陶瓷纤维布的厚度为0.1-1.0mm。
17、进一步优选，所述高温面陶瓷纤维布为平纹、斜纹或缎纹；所述低温面陶瓷纤维布为平纹、斜纹或缎纹。
18、进一步优选，所述高温面陶瓷纤维布的面密度为100-275g/m2；所述低温面陶瓷纤维布的面密度为100-275g/m2；例如105g/m2、108g/m2、245g/m2、255g/m2、265g/m2等。
19、作为优选，所述高温合金编织网的材质为镍基高温合金。
20、优选的，所述高温合金编织网由选自inconel-600、inconel-601、inconel-617和inconel-625中的一种或多种的丝线编织而成，所述高温合金编织网的孔径目数为50-500目。
21、作为优选，所述高温合金缝纫线为镍基高温合金丝或铁基高温合金丝。
22、优选的，所述镍基高温合金丝的材质为gh3030、gh3600、gh3602、gh3625、gh4049、gh4033和gh4043中的至少一种；所述铁基高温合金丝为316l不锈钢缝纫线。
23、优选的，所述高温合金缝纫线的直径尺寸为0.25-1mm。
24、作为优选，所述高温合金箔为镍基高温合金箔、不锈钢箔或铝箔。
25、优选的，所述高温合金箔的材质为inconel-600、inconel-601、inconel-617或inconel-625，所述高温合金箔的厚度为0.2-2mm。
26、第二方面，本发明提供的上述表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构的制备方法，包括以下步骤。
27、1）将高温面陶瓷纤维布、陶瓷纤维填充层、反射屏和低温面陶瓷纤维布进行铺层处理得到陶瓷纤维层；采用所述高温面陶瓷纤维布对所述低温面陶瓷纤维布包边并使用陶瓷纤维缝纫线缝合固定。
28、2）在所述高温面陶瓷纤维布上覆盖一层高温合金编织网；采用所述高温合金编织网对所述高温面陶瓷纤维布的侧边进行半包围封边，使用高温合金缝纫线缝合固定。
29、3）在所述高温合金编织网的表面通过钎焊焊接一层高温合金箔。
30、优选的，步骤1）中，所述高温面陶瓷纤维布的单边预留边长余量为20-100mm，所述高温面陶瓷纤维布的单边预留边长余量用于对所述低温面陶瓷纤维布进行包边。
31、优选的，步骤2）中，所述高温合金编织网高温面的单边预留边长余量为10-40mm，所述高温合金编织网高温面的单边预留边长余量用于对所述高温面陶瓷纤维布侧边进行半包围封边。
32、本发明中，通过将高温面陶瓷纤维布、陶瓷纤维填充层、反射屏和低温面陶瓷纤维布进行铺层处理得到陶瓷纤维层，实现了多层结构的整体化，提高了材料的耐高温和隔热性能。高温面陶瓷纤维布包边并用陶瓷纤维缝纫线缝合固定，增强了结构稳定性和耐用性。高温面陶瓷纤维布外覆盖高温合金编织网及其封边处理，进一步提高了材料的抗撕裂强度和耐用性。高温合金编织网表面钎焊高温合金箔，确保了材料在高温环境下的表面平滑和防水性能。通过优选的预留边长余量用于包边及半包围封边处理，提高了陶瓷纤维布的边缘稳定性和整体结构的耐用性，同时提高了高温合金编织网的边缘固定性和抗撕裂强度。
33、优选的，步骤2）中，所述高温合金缝纫线与步骤1）中的所述陶瓷纤维缝纫线交替缝制并组成田字图案。
34、本发明中，陶瓷纤维缝纫线与高温合金缝纫线交替缝制，共同组成“田”字图案，将不同成分的各层原材料联合形成一个整体；这不仅能提高复合材料间强度及断裂韧性，还能增加样件尺寸的稳定性，而且该缝制工艺简便易行。
35、进一步优选，步骤1）和步骤2）中，所述缝合为目字形状缝合。
36、进一步优选，步骤1）和步骤2）中，所述陶瓷纤维层的缝合行距为20-100mm，针距为5-30mm，所述高温合金编织网的缝合行距为20-100mm，针距为5-30mm，所述陶瓷纤维层缝纫线和所述高温合金编织网缝纫线呈交替缝合方式，所述陶瓷纤维层缝纫线和所述高温合金编织网缝纫线不重合且行距相同；所述陶瓷纤维缝纫线和所述高温合金缝纫线组成田字图案。
37、进一步优选，步骤2）中，所述高温合金缝纫线在所述陶瓷纤维层的缝合行距的中心线上缝制，得到由内外两表面的所述陶瓷纤维缝纫线和所述高温合金缝纫线共同组成田字图案。
38、本发明提供的表面强韧化超细陶瓷纤维柔性隔热毯的制备工艺，采用特定缝合方式，增加了样件尺寸稳定性，提高了复合材料间强度及断裂韧性，也提高了材料使用的安全性。柔性隔热毯的最高使用温度达到1300℃以上，具有优异的综合性能。
39、作为优选，所述目字形状缝合包括以下步骤：将单程缝线以连续几字形状进行缝制，并从上表面和下表面两面进行缝制，所述两面的缝制的缝线穿过点相同且缝线方向相反；得到连续目字形状的线路。
40、作为优选，使用陶瓷纤维缝纫线缝合陶瓷纤维层可以为：将所述陶瓷纤维缝纫线穿过所述陶瓷纤维层进行缝制，在缝合两端时进行弯折、拉伸收紧，在边缘处收尾打结，并将陶瓷纤维缝纫线藏于陶瓷纤维层内部，去除多余的陶瓷纤维缝纫线。使用高温合金缝纫线缝合固定的过程可以为：将高温合金缝纫线穿过高温合金编织网和陶瓷纤维层进行缝制，在缝合两端时进行弯折、拉伸收紧，在边缘处收尾打结，并将高温合金缝纫线藏于高温合金编织网和陶瓷纤维层的内部，去除多余的高温合金缝纫线。
41、作为优选，步骤3）中，所述钎焊包括将钎焊材料放置在高温编织网中间并施加适当的接触压力，在真空或惰性气氛中加热至500-1260℃进行钎焊。本发明中，陶瓷纤维层、高温合金编织网和高温合金缝纫线耐温范围一般为600-1260℃，钎焊温度在500-1260℃以免损坏陶瓷纤维层、高温合金编织网和高温合金缝纫线。
42、本发明中，采用钎焊技术固定高温合金箔层，能够保证高温合金箔层的完整性，并且更有利于高温面的空气动力学平滑过渡。
43、作为优选，所述钎焊焊接于所述高温合金缝纫线的交替连接点处；所述钎焊材料为膏状或丝状材料。
44、作为优选，所述钎焊焊接于所述高温合金缝纫线的交替连接点处。
45、第三发明，本发明还提供上述表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构或上述制备方法得到的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构在高超音速飞行器热防护系统中的应用。
46、本发明的有益效果至少在于：本发明提供的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构选用耐高温隔热材料，柔性隔热毯的使用温度可达到1300℃以上，耐高温的同时具有柔性、轻质、抗气流冲刷、韧性强和低导热系数等优异性能。本发明在高温面引入高温合金箔，可以起到在特殊环境下耐热流和水分渗透等作用，并保证高温面的空气动力学平滑过渡，保持顶部表面不弯曲；本发明的陶瓷纤维层采用的多层隔热结构，反射屏箔片放置在靠近冷边界，隔热性能较好，陶瓷纤维层由陶瓷纤维材料制成，提高了材料整体的耐高温能力和隔热效果。解决了目前所使用的铝箔层隔热膜普遍耐高温性能差，长时间使用隔热膜抵挡不住高温烘烤，容易发生软化现象等问题；高温面包裹一层高温合金编织网，避免陶瓷纤维层高温下变脆及脱落，增强高温面的抗撕裂强度，提高整体的耐用性。本发明制备工艺及其采用的缝合方法，增加了尺寸稳定性，提高了复合材料间强度及断裂韧性。本发明的陶瓷纤维缝纫线与高温合金缝纫线交替缝制，共同组成“田”字图案，将不同成分的各层原材料联合形成一个整体，这不仅能提高复合材料间强度及断裂韧性，还能进一步增加尺寸稳定性，而且本发明的缝制工艺简便易行。本发明中采用钎焊技术固定高温合金箔，保证了高温合金箔的完整性，有利于高温面的空气动力学平滑过渡。
1.一种表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构，其特征在于，包括由高温面向低温面依次叠层设置的高温合金箔、高温合金编织网和陶瓷纤维层；所述陶瓷纤维层包括依次叠层设置的高温面陶瓷纤维布、若干层陶瓷纤维填充层和低温面陶瓷纤维布，且相邻两层所述陶瓷纤维填充层之间设有反射屏；所述陶瓷纤维层由陶瓷纤维缝纫线固定，所述高温合金编织网和所述陶瓷纤维层之间通过高温合金缝纫线固定。
2.根据权利要求1所述的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构，其特征在于，所述高温合金编织网的表面焊接一层所述高温合金箔；
3.根据权利要求1或2所述的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构，其特征在于，所述表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构的密度为150-300kg/m3。
4.根据权利要求1-3任一项所述的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构，其特征在于，所述陶瓷纤维层中，所述陶瓷纤维填充层为陶瓷纤维棉或陶瓷纤维毯；所述反射屏为铝箔或聚酰亚胺镀铝薄膜；
5.根据权利要求1-4任一项所述的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构，其特征在于，所述陶瓷纤维填充层选自石英纤维棉、石英纤维针刺毯、氧化铝纤维棉和氧化铝纤维针刺毯中的一种或多种；
6.根据权利要求1-5任一项所述的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构，其特征在于，所述陶瓷纤维缝纫线为氧化铝纤维纱线或石英纤维纱线；
7.根据权利要求1-5任一项所述的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构，其特征在于，所述高温面陶瓷纤维布为石英纤维布或氧化铝纤维布，所述低温面陶瓷纤维布为石英纤维布或氧化铝纤维布；
8.根据权利要求1-7任一项所述的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构，其特征在于，所述高温合金编织网的材质为镍基高温合金；
9.根据权利要求1-8任一项所述的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构，其特征在于，所述高温合金缝纫线为镍基高温合金丝或铁基高温合金丝；优选的，所述镍基高温合金丝的材质为gh3030、gh3600、gh3602、gh3625、gh4049、gh4033和gh4043中的至少一种；所述铁基高温合金丝为316l不锈钢缝纫线；所述高温合金缝纫线的直径尺寸为0.25-1mm。
10.根据权利要求1-9任一项所述的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构，其特征在于，所述高温合金箔为镍基高温合金箔、不锈钢箔或铝箔；优选的，所述高温合金箔的材质为inconel-600、inconel-601、inconel-617或inconel-625，所述高温合金箔的厚度为0.2-2mm。
11.权利要求1-10任一项所述的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
12.根据权利要求11所述的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构的制备方法，其特征在于，所述高温面陶瓷纤维布的单边预留边长余量为20-100mm，所述高温面陶瓷纤维布的单边预留边长余量用于对所述低温面陶瓷纤维布进行包边；所述高温合金编织网高温面的单边预留边长余量为10-40mm，所述高温合金编织网高温面的单边预留边长余量用于对所述高温面陶瓷纤维布侧边进行半包围封边；所述高温合金缝纫线与所述陶瓷纤维缝纫线交替缝制并组成田字图案。
13.根据权利要求11或12所述的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构的制备方法，其特征在于，步骤1）和步骤2）中，所述缝合为目字形状缝合；
14.根据权利要求11-13任一项所述的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述钎焊包括将钎焊材料放置在高温编织网中间并施加适当的接触压力，在真空或惰性气氛中加热至500-1260℃进行钎焊；优选的，所述钎焊焊接于所述高温合金缝纫线的交替连接点处；所述钎焊材料为膏状或丝状材料。
15.权利要求1-10任一项所述表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构或权利要求11-14任一项所述制备方法得到的表面强韧化陶瓷纤维柔性隔热结构在高超音速飞行器热防护系统中的应用。
