Термостойкий высокопористый волокнистый теплоизоляционный и звукопоглощающий материал и способ его изготовления

Изобретение относится к производству теплоизоляционных и звукопоглощающих материалов и может быть использовано в авиакосмической технике, в приборостроении, машиностроении и в других областях техники. Технический результат изобретения - увеличение прочности и звукопоглощающей способности материала, расширение полосы звукопоглощения, исключение процессов выделения пыли и снижение себестоимости материала. При изготовлении материала использован минеральный наполнитель в виде кремнеземных волокон, имеющих диаметр 4-10 мкм, водный раствор одного из веществ, выбранного из группы, включающей метилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу или карбоксиметилкрахмал, содержание которого составляет 2-5 мас.%, в качестве спекающей добавки - аморфный бор или нитрид бора. Сформированную сырую заготовку материала подвергают сушке при постепенном подъеме температуры до 300°С и обжигу при температуре 1100-1200°С. После обжига и перфорации полученную заготовку материала пропитывают водным раствором коллоидного кремнезоля, концентрация которого составляет 2-7 мас.%, и сушат при температуре 100-300°С до полного удаления воды. Полученный материал имеет следующий состав, мас.%: кремнеземное волокно 75,0-93,0, аморфный бор или нитрид бора 0,2-0,5, кремнезоль 7,0-25,0. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

 

Изобретение относится к технологии производства теплоизоляционных и звукопоглощающих материалов и может быть использовано в авиакосмической технике, в приборостроении, машиностроении и других областях техники.

Известен пористый звукопоглощающий керамический материал и способ его изготовления (Патент Японии №2002-193684, кл. С04В 38/08, оп. 2002 г.). Керамический материал, имеющий объемную плотность 500-1000 кг/м³, состоит из 100 мас. частей перлита с диаметром частиц 0,5-2,0 мм, 100-200 мас. частей одного или нескольких спекающих материалов и 10-20 мас. частей связующих материалов. В процессе спекания частицы перлита в точках соприкосновения образуют смежные поры. Этот материал обладает хорошей звукопоглощающей способностью в широком диапазоне частот, но имеет высокую плотность, связанную с содержанием большого количества спекающих материалов.

Известен также пористый звукопоглощающий керамический материал и способ его производства (Патент РФ №2277075, кл. С04В 38/08, оп.2006 г.). Керамический материал, имеющий объемную плотность 500-1000 кг/м³, состоит из 100 мас. частей перлита с диаметром зерна 0,1-8,0 мм, 80-250 мас. частей одного из спекающих материалов, выбранных из группы, включающей зольную пыль, шлак, кварц, лаву, камни или глину в качестве основного материала, 5-30 мас. частей неорганического связующего, причем после спекания смеси частицы перлита образуют сообщающиеся отверстия между своими контактирующими поверхностями так, что внутренние поры являются сообщающимися между собой. Способ изготовления такого звукопоглощающего материала с сообщающимися порами включает следующие операции: к 100 мас. частям перлита с диаметром зерна 0,1-8,0 мм добавляют 35-250 мас. частей одного из порошкообразных веществ, выбранного из группы, включающей зольную пыль, шамот, волластонит, шлак, кварц, лаву, камень, шлам или глину, 5-30 мас. частей связующего и 10-50 мас. частей воды. Полученную массу помещают в нужную форму, при необходимости сжимают под давлением 8-10 кгс/см², просушивают, после чего обжигают при температуре 900-1200°С. Полученный при этом керамический материал имеет относительно высокую плотность и низкую пористость.

Наибольшее количество общих признаков с заявляемым материалом имеет термостойкий высокопористый волокнистый теплоизоляционный и звукопоглощающий материал, изготовленный из минерального наполнителя в виде волокон диоксида кремния (волокон кварца), связующего, спекающей добавки, в качестве которой использован аморфный бор или борсодержащее соединение, и поверхностно-активного вещества - прототип (патент США №5569423, кл. В28В 1/26, оп. 1996 г.).

Наибольшее количество общих признаков с заявляемым способом имеет способ изготовления указанного выше материала, включающий следующие операции: измельчение волокон диоксида кремния (волокон кварца) в воде, частичное удаление воды из полученной текучей суспензии с помощью вакуума с образованием сырого волокнистого блока, перемешивание полученного сырого волокнистого блока в воде, формование водной эмульсии, содержащей кремнийорганическое связующее, аморфный бор или борсодержащее соединение в качестве спекающей добавки и поверхностно-активное вещество, смешивание сырого волокнистого блока с полученной водной эмульсией, формование из полученной суспензии сырой заготовки материала путем удаления избытка воды с помощью вакуума и прессования до нужной высоты в форме, сушку сырой заготовки осуществляют в сжатом состоянии с помощью воздуха при постепенном повышении температуры от 100 до 300°С в течение 20-27 часов с последующей выемкой заготовки материала и ее обжигом при температуре 1250-1280°С в течение 2 часов - прототип (патент США №5569423, кл. В28В 1/26, оп. 1996 г.).

Недостатками материала, полученного по этому способу, являются низкие прочностные показатели, наличие эрозии материала за счет пылевыделения под действием воздушных потоков, загрязнение окружающей среды токсичными газообразными продуктами, выделяющимися при деструкции кремнийорганического связующего в процессе сушки и обжига, а также высокая себестоимость, связанная с высокой стоимостью кварцевого волокна, и низкая звукопоглощающая способность.

Задача изобретения - увеличение прочности и звукопоглощающей способности материала, расширение полосы звукопоглощения, исключение выделения пыли и токсичных газообразных продуктов при эксплуатации материала, а также снижение его себестоимости.

Поставленная задача достигается тем, что в термостойком высокопористом волокнистом теплоизоляционном и звукопоглощающем материале, изготовленном из минерального наполнителя в виде волокон диоксида кремния, связующего, спекающей добавки, в качестве которой использован аморфный бор или нитрид бора, и поверхностно-активного вещества, согласно предлагаемому изобретению в качестве волокон диоксида кремния использовано кремнеземное волокно, имеющее диаметр 4-10 мкм, в качестве связующего и одновременно поверхностно-активного вещества использован водный раствор одного из веществ, выбранного из группы, включающей метилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу или карбоксиметилкрахмал, содержание которого составляет 2-5 мас.% от навески волокна, и дополнительно материал содержит кремнезоль при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кремнеземное волокно диаметром 4-10 мкм	75,0-93,0
Аморфный бор или нитрид бора	0,2-0,5
Кремнезоль	7,0-25,0

Поставленная задача решается также и тем, что в способе изготовления термостойкого высокопористого волокнистого теплоизоляционного и звукопоглощающего материала, включающего измельчение волокон диоксида кремния в воде, частичное удаление воды из полученной текучей суспензии с помощью вакуума с образованием сырого волокнистого блока, перемешивание полученного сырого волокнистого блока в воде, формование водной эмульсии, содержащей связующее, аморфный бор или нитрид бора в качестве спекающей добавки и поверхностно-активное вещество, смешивание сырого волокнистого блока с полученной водной эмульсией, формование из полученной суспензии сырой заготовки материала путем удаления избытка воды с помощью вакуума и прессования до необходимой высоты в форме, сушку сырой заготовки осуществляют при постепенном подъеме температуры до 300°С и высокотемпературный обжиг полученной заготовки материала, согласно предлагаемому изобретению в качестве волокон диоксида кремния используют кремнеземное волокно, имеющее диаметр 4-10 мкм, которое перед измельчением подвергают термической обработке при температуре 800°С в течение времени не более 1,5 часов, в качестве связующего и одновременно поверхностно-активного вещества используют водный раствор одного из веществ, выбранного из группы, включающей метилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу или карбоксиметилкрахмал, содержание которого составляет 2-5 мас.% от навески волокна, при этом перед сушкой сырой заготовки материала ее извлекают из формы, сушку осуществляют на перфорированной подложке при постепенном подъеме температуры до 300°С в течение времени не более 16 часов, а обжиг проводят при температуре 1100-1200°С в течение 2-2,5 часов, после чего материал перфорируют, пропитывают водным раствором коллоидного кремнезоля, концентрация которого составляет 2-7 мас.%, и сушат при температуре 100-300°С до полного удаления воды.

Так как кремнеземное волокно содержит до 12% органических примесей и влаги, то для их удаления необходимо перед измельчением волокно термообработать при температуре 800°С в течение времени не более 1,5 часов.

В процессе сушки и обжига связующее, выполняющее одновременно и роль поверхностно-активного вещества, полностью выгорает. Таким образом, после обжига получается материал, который состоит из мелких частиц волокон, спеченных между собой спекающей добавкой и образующих достаточно прочную высокопористую структуру с открытыми порами.

Для увеличения эффективности звукопоглощения заготовку материала после обжига перфорируют отверстиями, которые могут иметь диаметр 1-2 мм, причем перфорирование целесообразно осуществлять сквозными отверстиями или отверстиями, просверленными на 50-90% от толщины слоя, а степень перфорации может составлять 2-10% от площади слоя материала.

Для придания материалу дополнительной прочности и исключения пылеобразования в процессе эксплуатации материал после обжига и перфорирования пропитывают водным раствором коллоидного кремнезоля, концентрация которого составляет 2-7 мас.%, после чего сушат его при температуре 100-300°С. При этом вода полностью испаряется, а наночастицы кремнезоля, обладая высокой реакционно-адсорбционной способностью, под действием невысоких температур образуют на поверхности пор по всему объему материала твердую пленку, которая предотвращает процесс пылеобразования и увеличивает прочность материала до 30%.

Для расширения полосы звукопоглощения перфорированную, пропитанную раствором кремнезоля и высушенную заготовку материала можно устанавливать в один и более слоев без зазора между ними.

На фиг.1 представлены зависимости коэффициента звукопоглощения (α), отн. ед., от звуковой частоты (f), кГц, не пропитанного коллоидным кремнезолем однослойного образца заявляемого материала (1) без перфорации и материала-прототипа (2).

На фиг.2 представлены зависимости коэффициента звукопоглощения (α), отн. ед., от звуковой частоты (f), кГц, пропитанного коллоидным кремнезолем однослойного образца заявляемого материала без перфорации (3) и материала-прототипа (4).

На фиг.3 представлены зависимости коэффициента звукопоглощения (α), отн. ед., от звуковой частоты (f), кГц, пропитанных коллоидным кремнезолем трех однослойных образцов заявляемого материала с перфорацией, диаметр отверстий которой составляет 2 мм, а степень перфорации - 2%, 5%, и 10% от площади слоя материала.

На фиг.4 представлена зависимость коэффициента звукопоглощения (α), отн. ед., от звуковой частоты (f), кГц, пропитанного коллоидным кремнезолем двухслойного образца заявляемого материала с перфорацией, диаметр отверстий которой составляет 2 мм, а степень перфорации - 10% от площади слоя материала.

Для получения сравнительных данных и обоснования сущности предлагаемого изобретения приведены примеры получения материала и основные его характеристики, представленные в таблице.

Пример 1. 180 г кремнеземного волокна марки PS-23, имеющего диаметр 4-10 мкм, прокалили при температуре 800°С в течение 1,5 часов и загрузили его в диспергатор, залили туда же 11 литров воды и отдиспергировали в течение 15 минут при скорости вращения мешалки 3000 об/мин. Измельченное волокно поместили в форму с перфорированным дном и с помощью вакуума удалили избыток воды. Сформованный таким образом брикет измельченного волокна загрузили в смеситель планетарного типа, куда залили 4,5 литра воды, и перемешали суспензию в течение 5 минут при скорости вращения мешалки 100 об/мин. В другой смеситель меньшего объема залили 90 мл 4-процентного водного раствора метилцеллюлозы (2,0 мас.% от навески волокна) и 1,8 г спекающей добавки - аморфного бора (1 мас.% от навески волокна или 0,2 мас.% в готовом материале) и перемешали эту смесь в течение одной минуты со скоростью вращения мешалки 3000 об/мин.

Полученную эмульсию связующего со спекающей добавкой перелили в планетарный смеситель, где в течение 5 минут перемешивали измельченное волокно с водой и продолжили перемешивать еще одну минуту. Готовую суспензию волокна и связующего со спекающей добавкой залили в форму с сетчатым дном прямоугольного сечения площадью 200×200 мм², поджали гидромассу перфорированным пуансоном до высоты 30 мм с одновременным вакуумным отсосом избытка жидкости. Отформованную заготовку материала извлекли из формы и просушили на перфорированной подложке, постепенно поднимая температуру до 300°С, в течение времени не более 16 часов. Высушенную заготовку материала подвергли обжигу при температуре 1100°С в течение 2,5 часов. После обжига полученную заготовку материала перфорировали отверстиями, имеющими диаметр 2 мм со степенью перфорации 2%, затем пропитали 680 мл 2-процентного водного раствора коллоидного кремнезоля марки СН-2 методом окунания и просушили в термостате при температуре 100°С до полного удаления воды. При этом количество кремнезоля в готовом материале составит 7 мас.%.

Пример 2. Операции проводили аналогично примеру 1, при этом 240 г прокаленного кремнеземного волокна загрузили в диспергатор, залили туда же 19 л воды и отдиспергировали в течение 20 минут.В качестве связующего было взято 200 мл 4-процентного (3,3 мас.% от навески волокна) водного раствора карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), а в качестве спекающей добавки - 4,8 г (2 мас.% от навески волокна или 0,5 мас.% в готовом материале) нитрида бора. Вместе с брикетом измельченного волокна в смеситель залили 7 л воды, перемешали смесь в течение 5 минут, затем залили приготовленную, как в примере 1, эмульсию связующего с нитридом бора и продолжили перемешивать еще одну минуту. Далее процесс вели, как в примере 1, только обжиг провели при температуре 1200°С в течение 2 часов. После обжига и перфорирования со степенью перфорации 5% полученную заготовку материала пропитали 1100 мл 4-процентного водного раствора коллоидного кремнезоля методом окунания и просушили в термостате при температуре 200°С до полного удаления воды. При этом количество кремнезоля в готовом материале составит 15,5 мас.%.

Пример 3. Операции проводили аналогично примеру 1, при этом 280 г прокаленного кремнеземного волокна загрузили в диспергатор, залили туда же 28 л воды и отдиспергировали в течение 30 минут. В качестве связующего было взято 200 мл 7-процентного (5 мас.% от навески волокна) водного раствора карбоксиметилкрахмала (КМК), в качестве спекающей добавки - 4,2 г аморфного бора (1,5 мас.% от навески волокна или 0,3 мас.% в готовом материале). Вместе с брикетом волокна в смеситель планетарного типа залили 10 л воды, перемешали смесь в течение 5 минут, затем залили готовую эмульсию с бором и продолжили перемешивание еще одну минуту. Далее все операции проводили, как в примере 1, а обжиг материала осуществляли при температуре 1150°С в течение 2 часов. После обжига и перфорирования со степенью перфорации 10% полученную заготовку материала пропитали 1330 мл 7-процентного водного раствора коллоидного кремнезоля методом окунания и просушили в термостате при температуре 300°С до полного удаления воды. При этом количество кремнезоля в готовом материале составит 25 мас.%.

Характеристики полученных образцов материала приведены в таблице (примеры 1-3), где представлены также аналогичные характеристики образцов материала-прототипа (примеры 4-5). Из данных таблицы следует, что при практически одинаковых значениях прочности, пористости, коэффициента теплопроводности и диэлектрических характеристик дополнительная пропитка материала водным раствором коллоидного кремнезоля позволила примерно на 30% увеличить прочность и свести на нет процесс эрозии (пылевыделения) и токсичных газообразных продуктов при его эксплуатации. Себестоимость заявляемого материала в два раза ниже себестоимости известного.

Коэффициенты звукопоглощения (α) образцов заявляемого материала и прототипа толщиной 10 мм, полученные при испытаниях на акустическом интерферометре, приведены на фиг.1 и 2. При этом значения коэффициентов звукопоглощения (α) образцов заявляемого материала обозначены квадратными точками, а прототипа - круглыми точками. Из этих графиков видно, что во всем исследованном диапазоне частот значения коэффициентов звукопоглощения (α) обоих материалов практически одинаковы. Из данных фиг.3 следует, что в диапазоне частот 2000-5000 Гц наличие перфорации материала и увеличение ее степени приводят к существенному росту коэффициента звукопоглощения (α) образцов заявляемого материала, пропитанного раствором коллоидного кремнезоля.

Данные фиг.4 показывают, что в широком диапазоне звуковых частот (800-5000 Гц) заявляемый двухслойный материал, пропитанный раствором коллоидного кремнезоля со степенью перфорации 10%, обеспечивает значительное увеличение коэффициента звукопоглощения (α) по сравнению с однослойным материалом, также пропитанным раствором коллоидного кремнезоля (фиг.2).

Из вышеприведенных данных следует, что заявляемый теплоизоляционный и звукопоглощающий материал и способ его получения дают положительный эффект как с технической, так и с экологической и экономической сторон. Низкие значения плотности и коэффициента теплопроводности, относительно высокая прочность, хорошие звукопоглощающие и радиопрозрачные свойства заявляемого материала делают его перспективным для использования в авиакосмической технике в качестве тепловой защиты космических кораблей многоразового использования, в качестве звукопоглощающего материала в горячей зоне (до 1000°С) силовых установок авиационных двигателей, а также для теплозащитных покрытий и экранов радиопрозрачных антенных обтекателей (РАО).

Характеристики образцов материала	Примеры
	1	2	3	4	5
До пропитки раствором кремнезоля	После пропитки раствором кремнезоля	До пропитки раствором кремнезоля	После пропитки раствором кремнезоля	До пропитки раствором кремнезоля	После пропитки раствором кремнезоля	Прототип
Средняя плотность, кг/м3	150	170	200	240	250	300	150	200
Средняя прочность на сжатие, МПа	0,65	0,90	1,00	1,30	1,50	2,00	0,65	0,90
Средняя прочность на изгиб, МПа	1,20	1,50	2,00	2,60	2,40	3,00	1,20	1,90
Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/м·°К	0,050	0,052	0,056	0,064	0,066	0,072	0,050	0,055
Диэлектрическая проницаемость	1,18	1,20	1,21	1,23	1,25	1,27	1,17	1,22
Тангенс угла диэлектрических потерь ×104	40,0	35,0	21,0	17,0	18,0	14,0	41,0	34,0
Пористость, %	95,0	95,0	94,0	92,0	92,0	90,0	95,0	94,0
Пылеобразование в процессе эксплуатации	имеет место	отсутствует	имеет место	отсутствует	имеет место	отсутствует	имеет место	имеет место
Максимальная температура эксплуатации, °С	1100	1100	1100	1100	1100	1100	1100	1100
Себестоимость, руб./кг	2300	2500	2300	2500	2300	2500	5000	5000

1. Термостойкий высокопористый волокнистый теплоизоляционный и звукопоглощающий материал, изготовленный из минерального наполнителя в виде волокон диоксида кремния, связующего, спекающей добавки, в качестве которой использован аморфный бор или нитрид бора, и поверхностно-активного вещества, отличающийся тем, что в качестве волокон диоксида кремния использовано кремнеземное волокно, имеющее диаметр 4-10 мкм, а в качестве связующего и одновременно поверхностно-активного вещества использован водный раствор одного из веществ, выбранного из группы, включающей метилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу или карбоксиметилкрахмал, содержание которого составляет 2-5 мас.%, и дополнительно материал содержит кремнезоль при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кремнеземное волокно диаметром 4-10 мкм	75,0-93,0
Аморфный бор или нитрид бора	0,2-0,5
Кремнезоль	7,0-25,0

2. Способ получения термостойкого, высокопористого волокнистого теплоизоляционного и звукопоглощающего материала, включающий измельчение волокон диоксида кремния в воде, частичное удаление воды из полученной текучей суспензии с помощью вакуума с образованием сырого волокнистого блока, перемешивание сырого волокнистого блока в воде, формование водной эмульсии, содержащей связующее, аморфный бор или нитрид бора в качестве спекающей добавки и поверхностно-активное вещество, смешивание сырого волокнистого блока с полученной водной эмульсией, формование из полученной суспензии сырой заготовки материала путем удаления избытка воды с помощью вакуума и прессования до необходимой высоты в форме, сушку сырой заготовки при постепенном подъеме температуры до 300°С и высокотемпературный обжиг полученной заготовки материала, отличающийся тем, что в качестве волокон диоксида кремния используют кремнеземное волокно, имеющее диаметр 4-10 мкм, которое перед измельчением подвергают термической обработке при температуре 800°С в течение времени не более 1,5 ч, а в качестве связующего и одновременно поверхностно-активного вещества используют водный раствор одного из веществ, выбранного из группы, включающей метилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу или карбоксиметилкрахмал, содержание которого составляет 2-5 мас.%, при этом перед сушкой сырой заготовки материала ее извлекают из формы, сушку осуществляют на перфорированной подложке при постепенном подъеме температуры до 300°С в течение времени не более 16 ч, а обжиг проводят при температуре 1100-1200°С в течение 2-2,5 ч, материал перфорируют, пропитывают водным раствором коллоидного кремнезоля, концентрация которого составляет 2-7 мас.%, и сушат при температуре 100-300°С до полного удаления воды.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что материал перфорируют отверстиями, имеющими диаметр 1-2 мм и выполненными сквозными или просверленными на 50-90% от толщины слоя материала, а степень перфорации составляет 2-10% от площади слоя материала.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что материал устанавливают в один или более слоев без зазора между ними.