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热防护结构是高速飞行器的关键结构之一,其保护飞行器在大气层中高速飞行时免遭破坏和烧毁。本文以临近空间飞行器辐射防热结构为背景,开展陶瓷纤维刚性隔热瓦研究。分别以短切石英纤维、短切莫来石纤维为原料,以去离子水为分散介质,加入B4C粉、硅溶胶和可溶性淀粉,经模压成型、干燥、烧结制得短切纤维多孔骨架(刚性隔热瓦预制件);后将其浸渍SiO2溶胶、SiO2-Al2O3二元溶胶,经超临界干燥制得气凝胶复合短切纤维多孔骨架复合材料(气凝胶改性刚性隔热瓦);以MoSi2为高辐射剂,在刚性隔热瓦表面制备高发射率涂层;最后将试样进行隔热性能地面热模拟考核试验。工艺条件的正交试验表明:B4C粉的用量对多孔骨架的孔隙率影响最大,其次为成型压力。控制B4C粉的用量在15%(短切纤维质量)以内,成型压力在79.8kPa以内,制得短切纤维多孔骨架的孔隙率在80%以上。石英纤维多孔骨架的孔隙率由83.95%升至92.0%,抗弯强度由3.582MPa降为0.585 MPa;莫来石纤维多孔骨架的孔隙率由82.0%升至89.6%,抗弯强度由1.205MPa降为0.312MPa。不同孔隙率多孔骨架在室温下的热导率几乎相同,当短切莫来石纤维多孔骨架的孔隙率由87.5%降为80.0%时,700℃以上的高温热导率降低5%~10%,这是由于固相的增加可以抑制高温辐射传热。在莫来石纤维多孔骨架中添加六钛酸钾晶须,1000℃可降低多孔骨架热导率达29%。孔隙率相当时,石英纤维多孔骨架的热导率比莫来石纤维多孔骨架低25%~30%;通过匀温灼烧实验(1000℃/16h),短切莫来石纤维多孔骨架的线收缩为0,而短切石英纤维多孔骨架的线收缩达到了10.0%。气凝胶复合短切纤维多孔骨架复合材料的平均孔径为39.2nm。相比短切纤维多孔骨架,复合气凝胶后的复合材料的热导率降低30%~50%(如SiO2气凝胶复合石英纤维多孔骨架复合材料在800℃的热导率为0.041 W·m-1·K-1),抗压强度最多可提高250%,抗弯强度最多可提高200%,并且该复合材料出现韧性断裂。SiO2-Al2O3二元气凝胶复合短切纤维多孔骨架复合材料的比表面积在1000℃可达470 m2·g-1。稳态量热计法测得涂层半球向发射率为0.92。通过隔热效果对比实验,在短切莫来石纤维多孔骨架(厚17mm)表面制备200μmMoSi2高发射率涂层,相比未涂装涂层的样品,冷面温度低30℃~100℃。硅硼玻璃MoSi2涂层是多孔结构,不易产生裂纹,能经受1100℃-水冷10次循环。通过涂层附着力测试,刚性隔热瓦本身断裂破坏占55%~90%。考核时,热面从室温经100s升温至1000℃保温600s,测得SiO2气凝胶复合短切石英纤维多孔骨架复合材料(厚16.4 mm)的冷面温度为320℃,SiO2-Al2O3二元气凝胶复合短切莫来石纤维多孔骨架(添加六钛酸钾晶须)复合材料的冷面温度为340℃。