一种承载/防热一体化有序多孔发汗复合结构和制备方法

本发明属于飞行器热防护，具体涉及一种承载/防热一体化有序多孔发汗复合结构和制备方法。

背景技术：

1、发汗冷却技术因其高效的冷却特性，是现代飞行器的热端部件中最有效的冷却方式之一。在各国学者的努力下，发汗冷却技术目前已得到广泛且深入的研究。目前对发汗冷却的研究主要集中在冷却效率上，而忽略了机械强度，这大大限制了发汗冷却的应用场景。

2、另外，由于传统的烧结多孔材料的孔隙结构不均匀，同一驱动压力下，无法进行与外部气动热和气动力相匹配的冷却剂供应，使得供应到局部位置的冷却剂恰好能够吸收进入该位置的热流。因此，开发具有精确几何形状且可调由分布孔的多孔材料以实现对冷却剂在多孔结构中的输运和分布进行精确控制，从而实现对局部热点进行高效冷却是十分必要的。因此，开发具有高机械强度和精确几何形状的多孔介质对发汗冷却具有重要意义。

3、现有发汗冷却技术中，发汗材料密度高、机械强度低无法满足飞行器轻量化的需求，以及在飞行器表面受到热荷载不均匀时，传统发汗结构无法与外界气动热进行相匹配的冷却剂供应，从而出现局部热点的情况。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种承载/防热一体化有序多孔发汗复合结构和制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种承载/防热一体化有序多孔发汗复合结构的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1、将碳纤维丝束和铝丝采用三维编织技术按照一定的规律交织成网格结构，得到三维纤维预制体，由碳纤维构成经纱和纬纱，提供整体结构强度，铝丝构成垂向纱，其中铝丝用于去除后得到毛细发汗微孔道，所述铝丝直径在50～300μm之间；

5、步骤2：采用真空灌注工艺将酞腈树脂灌注到步骤1得到的纤维预制体中进行混合后固化、脱模得到复合材料构件；其中三维纤维预制体置入真空灌注模具中后，需在真空灌注过程中对模具进行加热以保证酞腈树脂的良好流动性，目标温度为80～120℃，树脂充分浸润后，放入设定好温度和压力程序的热压罐内进行固化；所述固化过程包括浸润阶段、固化阶段和降温阶段，各个阶段的工艺条件如下：

6、升温阶段：采用无正压力真空负压直线升温的方式进行升温，目标温度为160～180℃，升温速率为1～3℃/min，其中所述升温阶段，未达到目标温度之前，热压方式为无正压力真空负压直线升温的方式；

7、固化阶段：酞腈树脂固化制度为200℃2h然后再在250℃下加热4h，在系统温度达到200℃时，进入加压阶段，所加压力大小根据制品结构厚度而定，压力为0.5～2.0mpa，上述加压阶段需一直保持到复合材料固化完成；

8、降温阶段：降温阶段的压力仍保持为0.5～2.0mpa，在冷却到室温后，再释放压力，降温过程中降温速率为0.4～0.6℃/min；

9、步骤3：对步骤2得到的复合材料构件表面进行切削加工，加工厚度在0.1～0.3mm之间，去除复合材料表面的树脂，使垂向纱的铝丝进行裸露；从而使用碱溶液对铝丝进行去除。

10、步骤4：在铝丝去除后将有序多孔复合材料在丙酮、无水乙醇中进行超声清洗，以去除内部可能存留的碎屑，然后80℃烘干10小时，得到上述的有序多孔复合材料发汗结构。

11、一种承载/防热一体化有序多孔发汗复合结构，包括有序多孔发汗结构、冷却工质流动空腔和冷却工质储箱，所述有序多孔发汗结构为构件主体的承载部分，其厚度在1～20mm，所述的有序多孔发汗结构中设有用于发汗冷却的微孔流道，微孔直径为50～300μm。

12、优选的，所述冷却工质储箱中设置有冷却工质，所述冷却工质通过冷却工质流动空腔进行流动，通过有序多孔发汗结构进行发汗冷却。

13、优选的，所述有序多孔发汗复合结构使用复合材料的三维编织技术实现其结构的一体成型。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

15、1.本发明的有序多孔复合材料发汗结构可以在兼顾发汗冷却性能的同时拥有较高的承载能力，且比强度远远超出现在普遍使用的金属和陶瓷发汗材料；

16、2.本发明同时兼具承载和发汗结构的作用；可以减少发汗结构的层级结构，降低发汗系统整体厚度，大大减轻飞行器的消极重量。

17、3.本发明的有序多孔复合材料发汗结构采用一体化成型，减少了传统发汗结构的连接问题，从而减少整个发汗系统结构复杂性，提高整个发汗系统的可靠性；

18、4.本发明有序多孔复合材料发汗结构中设置可设计的互相连通的微孔，减小冷却工质的流动阻力，实现冷却工质的快速输运和防热的快速响应；同时可以调整微孔的直径、空间排布方式、开孔位置以及开孔率，以满足飞行器表面温度不同区域的冷却要求，实现冷却工质的高效利用。

技术特征：

1.一种承载/防热一体化有序多孔发汗复合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种承载/防热一体化有序多孔发汗复合结构的制备方法，其特征在于：所述当复合材料结构深径比低时，将复合材料构件浸入到碱溶液中，使铝丝溶解将其去除，得到有序多孔复合材料，当复合材料结构深径比高时，需利用压力装置将碱溶液在毛细孔内推动，以保证铝丝去除干净。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的制备方法制备的一种承载/防热一体化有序多孔发汗复合结构，其特征在于：包括有序多孔发汗结构、冷却工质流动空腔和冷却工质储箱，所述有序多孔发汗结构为构件主体的承载部分，其厚度在1～20mm，所述的有序多孔发汗结构中设有用于发汗冷却的微孔流道，微孔直径为50～300μm。

4.根据权利要求3所述的一种承载/防热一体化有序多孔发汗复合结构，其特征在于：所述冷却工质储箱中设置有冷却工质，所述冷却工质通过冷却工质流动空腔进行流动，通过有序多孔发汗结构进行发汗冷却。

5.根据权利要求3所述的一种承载/防热一体化有序多孔发汗复合结构，其特征在于：所述有序多孔发汗复合结构使用复合材料的三维编织技术实现其结构的一体成型。

技术总结
本发明涉及飞行器热防护技术领域，具体公开了一种承载/防热一体化有序多孔发汗复合结构的制备方法，包括以下步骤：制备三维纤维预制体、酞腈树脂灌注、切削加工和铝丝去除，一种承载/防热一体化有序多孔发汗复合结构，包括有序多孔发汗结构、冷却工质流动空腔和冷却工质储箱，所述有序多孔发汗结构为构件主体的承载部分，所述的有序多孔发汗结构中设有用于发汗冷却的微孔流道，本发明的有序多孔复合材料发汗结构可以在兼顾发汗冷却性能的同时拥有较高的承载能力，且比强度远远超出现在普遍使用的金属和陶瓷发汗材料；同时兼具承载和发汗结构的作用；可以减少发汗结构的层级结构，降低发汗系统整体厚度，大大减轻飞行器的消极重量。

技术研发人员：王兵,邢明志,胡记强,季春明,马力,吴林志
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17