飞行员面罩用氧传感器散热外壳及其制备方法与流程

本发明涉及散热外壳加工，具体涉及飞行员面罩用氧传感器散热外壳及其制备方法。

背景技术：

1、战斗机的飞行速度达到马赫级，飞行速度非常快，飞行员在驾驶战斗机时需要承受极大的过载，而在这种情况下，飞行员的血液会因为重力的作用向腿部下移。从而出现大脑缺氧等的现象。飞行员佩戴飞行员面罩可以对氧气浓度进行检测并将氧气直接压进飞行员的肺部，提升飞行员血液中的含氧量来保护飞行员，不会因为大脑缺氧，出现暂时性失明又或者是昏厥。

2、氧传感器是利用了nernst原理，其核心元件是一种多孔的zro2陶瓷管，它是一种固态电解质，两侧面分别烧结上多孔铂(pt)电极。在一定温度下，由于两侧氧浓度不同，陶瓷管内侧的氧分子被吸附在铂电极上与电子(4e)结合形成氧离子o2-，使该电极带正电，o2-离子通过电解质中的氧离子空位迁移到废气侧，使该电极带负电，即产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。

3、现有技术中的飞行员面罩上的氧传感器受到其工作原理的影响，决定了氧传感器的工作温度在300-600℃，在氧传感器工作过程中，会产生大量的热量，为避免热量汇集导致面罩温度上升损伤飞行员，通常会在氧传感器外部安装一个散热外壳，但是现有的散热外壳通常由耐高温塑料材料制成，氧传感器工作过程中产生的热量会沿着散热外壳的侧壁向外部扩散，散热外壳的隔热效果差，并且现有的飞行员面罩上的电子元件较多，面罩上其他电子元件在工作过程中产生电磁场会对氧传感器造成干扰，导致氧传感器的探测精度有待进一步提高。

4、针对此方面的技术缺陷，现提出一种解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供飞行员面罩用氧传感器散热外壳及其制备方法，用于解决现有技术中飞行员面罩用氧气传感器散热外壳的隔热效果差和飞行员面罩上的其他电子元件在工作过程产生电磁场会对氧传感器造成干扰，氧传感器的探测精度有待进一步提高的技术问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、飞行员面罩用氧传感器散热外壳，包括壳体，所述壳体的外部套设有外壳，所述外壳与壳体之间设有存储空腔，所述存储空腔内填充有微细二氧化硅气凝胶，所述壳体的顶部外壁开设有多个散热孔，所述壳体的内侧设有两个水平设置的限位环，两个所述限位环的外壁均通过多个连接块与壳体的内壁固接，且两个所述限位环的内侧壁均开设有多个限位卡槽。

4、进一步的，所述壳体的顶部设有安装环，所述安装环的顶部两端均固接有卡接柱，所述安装环的内侧设有内螺纹，所述壳体的顶部外圈设有与内螺纹相配合的外螺纹。

5、飞行员面罩用氧传感器散热外壳的制备方法，包括以下操作步骤：

6、s1、将对苯基苯酚、甲醛水溶液和催化剂加入到三口烧瓶中搅拌，三口烧瓶温度升高至70-80℃，反应0.5-1h，向三口烧瓶中加入硼酸，三口烧瓶温度升高至105-115℃，反应2-3h，向三口烧瓶中加入改性硅烷，搅拌40-60min，后处理得到改性树脂溶液；

7、反应过程中，在催化剂条件下，使反应体系为碱性，对苯基苯酚和甲醛首先发生加成反应生成羟甲基苯酚，然后在较高温度下与硼酸反应，生成树脂，在树脂结构中引入硼元素，生成键能较高的硼氧键，从而提高树脂的耐热性、韧性、残碳率、瞬时耐高温性能和机械性能。

8、s2、将预处理碳纤维和碳泡沫进行分散处理，将其均匀分散在乙醇溶液中，得到分散液；

9、s3、将改性树脂溶液与分散液按重量比10:3加入到三口烧瓶中，设置转速为450-550r/min，搅拌40-50min，三口烧瓶温度升高至60-70℃，减压蒸去溶剂乙醇，得到复合树脂；

10、s4、将复合树脂加入到氧传感器散热外壳成型模具的型腔中，将型腔填满，然后将模具转移到温度80-100℃的烘箱中干燥10-12h，拆去其外部的模具，得到氧传感器散热外壳初品；

11、s5、将氧传感器散热外壳初品放入马弗炉中，对其进行高温碳化，得到氧传感器散热外壳成品。

12、进一步的，所述对苯基苯酚、甲醛水溶液、催化剂、硼酸和改性硅烷的重量比为5:5:0.2:2:2，甲醛水溶液的质量浓度为37％，催化剂为氢氧化钠、氢氧化铵、氢氧化钙、乙胺中的任意一种。

13、进一步的，所述改性硅烷的加工步骤包括：

14、a1、将正硅酸乙酯、二苯基二甲氧基硅烷、甲基苯基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、盐酸、甲苯、正丁醇按重量比12:5:2:5:15:40:8加入到三口烧瓶中搅拌，三口烧瓶温度升高至70-80℃，反应2-3h，向三口烧瓶中滴加正丁胺调节体系ph＝7，分液；

15、a2、将有机相转移到安装有分水器的三口烧瓶中搅拌，三口烧瓶温度升高至115-125℃，反应2-3h，三口烧瓶温度降低至85-90℃，减压蒸去溶剂，得到改性硅烷。

16、反应过程中，正硅酸乙酯、二苯基二甲氧基硅烷、甲基苯基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷在酸性环境中，硅氧烷键水解生成硅羟基，通过正丁胺调节体系ph＝7后，在高温下硅羟基与硅羟基脱水缩合，生成具有网状结构的改性硅烷。

17、进一步的，所述预处理碳纤维加工操作包括：

18、b1、将丙酮与乙醇按照体积比1:1混合均匀，得到混合溶液，将直径为6μm的短切碳纤维与混合溶液按照重量比1:5加入到烧杯中混合均匀，将烧杯置于120w、40khz的超声分散器中，超声60-90min，抽滤，滤饼用纯化水淋洗后，转移到温度为75-85℃的干燥箱中，干燥10-12h，得到干燥后碳纤维；

19、b2、将干燥后碳纤维平铺在温度为200-240℃的加热板上，在碳纤维上表面覆盖一块金属盖板，并向金属盖板上施加0.5-1.5mpa的压力，保温热压40-60min，得到预处理碳纤维。

20、反应过程中，通过丙酮和乙醇的混合溶液对碳纤维进行超声洗涤，除去碳纤维表面的有机物，使得碳纤维表面裸露出来，然后对其依次进行干燥和灼热氧化，增加碳纤维的表面积、表面粗糙度、表面裂纹和凹坑数目，使纤维表面的物理化学性质有所改变，防止预处理碳纤维与改性树脂之间产生弱界面层，改善树脂和增强材料的亲和力与粘接力。

21、进一步的，所述碳泡沫的制备方法为：以三聚氰胺泡沫为原料，将其切割成所需的形状和大小，使用无水乙醇与纯化水对其进行清洗，然后将其转移到温度为70-80℃的干燥箱中，干燥15-18h，将其放置到氮气保护的马弗炉中，马弗炉温度以5℃/min的升温速率升高至700-800℃，保温2h，马弗炉在氮气保护下降低至室温，得到碳泡沫。

22、三聚氰胺泡沫具有高度精细的三维网状交联结构，通过将其表面的污渍洗净之后，将其放置在氮气气氛保护的马弗炉中，通过高温处理，将三聚氰胺泡沫中的有机杂质或其他含氧官能团裂解掉，生成气体逸出并留下孔隙，得到具有三维网状结构的多孔碳泡沫，碳泡沫对预处理碳纤维之间的间隙进行填充，从而提高碳纤维对改性树脂的增强效果，进而提高改性树脂的机械性能，多孔状的碳泡沫，能够有效的提高改性树脂的隔热性能。

23、进一步的，所述分散处理的操作为：将预处理碳纤维、碳泡沫、3-氨基丙基三乙氧基硅烷和水按照重量比1:0.8:2:6加入到烧杯中搅拌，室温下向烧杯中加入5mol/l盐酸，调节体系ph＝4-5，烧杯温度升高至75-85℃，反应2-3h，抽滤，滤饼依次用纯化水与乙醇淋洗后转移到温度为55-65℃的干燥中，干燥4-6h，得到混合粉末，将混合粉末与无水乙醇按照重量比1:5加入到烧杯中，搅拌10min后转移到120w、40khz的超声分散器中，超声120-160min，得到分散液。

24、在酸性条件下，3-氨基丙基三乙氧基硅烷上的硅氧烷水解生成硅羟基与预处理碳纤维、碳泡沫的外表面反应，接枝到预处理碳纤维与碳泡沫的外部，从而有利于提高预处理碳纤维与碳泡沫在乙醇环境中的分散性。

25、进一步的，所述高温碳化包括：向马弗炉中充入氮气，使得氮气充满马弗炉内部腔室，马弗炉以3℃/min的升温速率，升高至200℃，保温30min，然后马弗炉以3℃/min的升温速率，升高至500℃，保温30min，马弗炉再以3℃/min的升温速率，升高至600℃，保温30min，马弗炉以2℃/min的升温速率，升高至700℃，保温1h，马弗炉温度以2.5℃/min的降温速率降低至室温。

26、高温碳化过程中，改性树脂在氮气保护条件下程序升温，在高温作用下，改性树脂主链上亚甲基最先发生断裂，伴随着亚甲基的断裂，改性树脂开始脱氧、脱氢，并以h2、co2、ch4、苯、甲酚类等气体逸出，剩余的碳原子与氢原子逐渐裂解为苯环类小分子，随着温度的进一步升高苯环类小分子开始重排，形成具有石墨化结构的无定型体，石墨化结构的无定型体粘附在预处理碳纤维和碳泡沫表面，起到固化强化的作用，改性树脂具有的高分子量、高芳基结构和碳泡沫的三维多孔结构相互配合，有效的提高了氧传感器散热外壳成品的耐高温和隔热性能。

27、本发明具备下述有益效果：

28、1、本发明的飞行员面罩用氧传感器散热外壳在制备过程中，通过选取具有高度精细三维网状结构的三聚氰胺泡沫为原料，通过高温处理，将三聚氰胺泡沫上的有机杂质或其他含氧官能团裂解掉，制备出具有三维网状结构的多孔碳泡沫，再通过乙醇和丙酮混合溶液对碳纤维表面进行处理，使得碳纤维表面裸露出来，对其进行灼热氧化处理，增加碳纤维的表面积、表面粗糙度、表面裂纹和凹坑数目，提高其与树脂材料的亲和力与粘接力，预处理碳纤维和碳泡沫经3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性处理，在其表面上接枝3-氨基丙基三乙氧基硅烷，避免预处理碳纤维和碳泡沫在分散溶液中团聚，从而提高预处理碳纤维与碳泡沫在乙醇环境中的分散性，进而提高其在改性树脂溶液中的分散均匀性，预处理碳纤维与碳泡沫均匀分布有利于提高复合树脂的机械性能，碳泡沫具有的高导电率，能够有效的提高复合树脂的电磁屏蔽性能，降低外界电磁场对其内部的安装在氮氧传感器的影响，保证氮氧传感器的探测精度。

29、2、本发明的飞行员面罩用氧传感器散热外壳在制备过程中，通过对苯基苯酚与甲醛在催化剂条件下，反应生成羟甲基的对苯基苯酚，然后在较高温度下与硼酸反应，生成具有硼氧键的树脂，然后向反应体系中加入具有柔性和良好的耐高温氧化性能的网状改性硅烷，在搅拌状态下，改性硅烷与树脂之间相互交融，制备成改性树脂溶液，改性树脂以溶液的形式存在，能够提高分散液在改性树脂溶液中均匀分散，进一步的提高预处理碳纤维与碳泡沫在改性树脂中的分散性，在高温环境下，复合树脂中酚核上的羟甲基与其他酚核上的邻位或对位的活泼氢反应，失去一分子水，生成亚甲基键，或者两个酚核上的羟甲基相互反应，失去一分子水，生成二苄基醚，促进复合树脂固化，并且复合树脂上的多芳基和硼氧键结构，有效的提高了复合树脂的耐热性、韧性、残碳率、瞬时耐高温性能和机械性能。

30、3、本发明的飞行员面罩用氧传感器散热外壳在制备过程中，通过将热固化成型的氧传感器散热外壳初品放置到氮气保护的马弗炉中进行高温碳化处理，复合树脂在无氧环境和高温作用下，复合树脂上亚甲基最先发生断裂，复合树脂开始脱氧、脱氢，剩余的碳原子与氢原子逐渐裂解为苯环类小分子，随着温度的进一步升高苯环类小分子开始重排，形成具有石墨化结构的无定型体，石墨化结构的无定型体粘附在预处理碳纤维和碳泡沫表面，起到固化强化的作用，改性树脂具有的高分子量、高芳基结构和碳泡沫的三维多孔结构相互配合，有效的提高了氧传感器散热外壳成品的耐高温和隔热性能，减轻了氧传感器散热外壳的重量。

31、4、本发明的飞行员面罩用氧传感器散热外壳在制备过程中，通过在壳体、限位环、限位卡槽和安装在氧传感器外部与限位卡槽相互配合的限位卡块相互配合，方便将氮氧传感器安装在壳体的内侧，在壳体上设置的散热孔，能够提高氧传感器外壳的散热效果，通过在壳体外部套设的外壳和安装在存储腔室中的微细二氧化硅气凝胶，能够避免壳体内部的热量传导导致外壳的温度上升，有效的提高氧传感器散热外壳的隔热性能。