一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构

本发明属于航空航天飞行器热能再利用技术与薄膜热电材料应用领域，尤其是一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构。

背景技术：

1、高超声速飞行器在稠密大气层中高速飞行产生了大量的气动热，热电材料与热电转换技术的发展为高超声速飞行器的气动热再利用产生了重要影响。专利公开号为cn110065618a，一种用于高超声速飞行器的多功能结构装置及其工作方法，该发明公开了基于热电转换结构的供电模块，通过添加防热模块、控温模块和结构壳体，形成一种可用于高超声速飞行器复杂气动热环境的防热/控温/供电多功能结构。该发明的应用于高超声速飞行器的热电转换结构基于块状热电材料，一方面，块状热电材料质脆，需要额外的承载支撑结构，使得热电结构在质量与尺寸增大的同时，效率较低；另一方面，较大的质量与尺寸对飞行器总体性能产生影响，因此应用区域有限，集中在飞行器压缩面位置，可铺设面积不超过10平方米。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构，解决现有块状热电材料需要额外的承载支撑结构，应用区域有限的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构，包括依次连接的绝缘防热层、薄膜热电层和相变控温层；

4、所述绝缘防热层覆盖在高超声速飞行器蒙皮内壁面上，所述薄膜热电层内设置有热电功能薄膜组，所述热电功能薄膜组包括导电薄膜层和基底薄膜层，所述基底薄膜层上交替排列有n型薄膜热电材料和p型薄膜热电材料形成热电薄膜层，所述导电薄膜层设置在热电薄膜层上；

5、所述导电薄膜层内设置有导电线路，所述基底薄膜层外接电阻，所述导电线路、电阻与n型薄膜热电材料和p型薄膜热电材料形成闭合回路。

6、进一步的，所述薄膜热电层包括热电功能薄膜组和绝缘基质层，所述绝缘基质层包括绝缘上薄膜层和绝缘下薄膜层，所述热电功能薄膜组通过高温胶连接在绝缘上薄膜层和绝缘下薄膜层之间。

7、进一步的，所述绝缘基质层的材料为刚性或柔性氮化铝基质，厚度为0.25毫米，所述绝缘上薄膜层和绝缘下薄膜层温度不同。

8、进一步的，所述热电功能薄膜组还包括隔热薄膜层，所述隔热薄膜层的材料为氧化铝纤维材料。

9、进一步的，所述导电薄膜层设置在由热电薄膜层和隔热薄膜层组成的膜层上。

10、进一步的，所述n型薄膜热电材料和p型薄膜热电材料的外形尺寸均相同，厚度为50～1000微米。

11、进一步的，所述n型薄膜热电材料和p型薄膜热电材料之间设置有间隙，所述间隙位置设置隔热薄膜层，所述隔热薄膜层呈网格状。

12、进一步的，所述n型薄膜热电材料和p型薄膜热电材料之间的间隙上设置有二氧化硅。

13、进一步的，所述绝缘防热层的材料为抗氧化c/c复合材料，厚度为1～2毫米，所述薄膜热电层的厚度小于1.26毫米，所述相变控温层的厚度为1～4毫米。

14、进一步的，所述导电薄膜层的材料为银单质，厚度为0.25毫米，所述基底薄膜层的材料为单晶硅。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、本发明提供一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构，将绝缘防热层、薄膜热电层和相变控温层依次设置在高超声速飞行器蒙皮内壁面，蒙皮内壁面薄膜热电发电结构利用薄膜热电材料的塞贝克效应，可以将面外的热流转化为电动势，当基底薄膜层外接电阻后，可以产生温差电流，并通过n型薄膜热电材料和p型薄膜热电材料串联排布实现电势叠加，增大温差电动势和电流。本发明集成防热和热能再利用一体化，相对于传统高超声速飞行器设计了气动热再利用的结构和功能，为飞行器热防护系统的设计提供更多思路。相较于现有块状热电材料的热电结构，第一，结构质量轻，薄膜模组厚度在微米和毫米级别，对高超声速飞行器的总体设计几乎无附加尺寸和质量的影响；第二，薄膜材料延展性良好，薄膜热电结构在飞行器机身和机翼上的可铺设面积大，可用来实现薄膜热电发电的空间巨大；第三，本发明不需要额外的承载支撑结构，装配方式简单，无机械连接装置，避免了机械结构的不可靠性。第四，薄膜材料充分利用材料的热电特性，避免材料浪费，材料使用成本低。

技术特征：

1.一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构，其特征在于，包括依次连接的绝缘防热层(1)、薄膜热电层(2)和相变控温层(3)；

2.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构，其特征在于，所述薄膜热电层(2)包括热电功能薄膜组(22)和绝缘基质层，所述绝缘基质层包括绝缘上薄膜层(21)和绝缘下薄膜层(23)，所述热电功能薄膜组(22)通过高温胶连接在绝缘上薄膜层(21)和绝缘下薄膜层(23)之间。

3.根据权利要求2所述的一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构，其特征在于，所述绝缘基质层的材料为刚性或柔性氮化铝基质，厚度为0.25毫米，所述绝缘上薄膜层(21)和绝缘下薄膜层(23)温度不同。

4.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构，其特征在于，所述热电功能薄膜组(22)还包括隔热薄膜层(202)，所述隔热薄膜层(202)的材料为氧化铝纤维材料。

5.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构，其特征在于，所述导电薄膜层(201)设置在由热电薄膜层(203)和隔热薄膜层(202)组成的膜层上。

6.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构，其特征在于，所述n型薄膜热电材料和p型薄膜热电材料的外形尺寸均相同，厚度为50～1000微米。

7.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构，其特征在于，所述n型薄膜热电材料和p型薄膜热电材料之间设置有间隙，所述间隙位置设置隔热薄膜层(202)，所述隔热薄膜层(202)呈网格状。

8.根据权利要求7所述的一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构，其特征在于，所述n型薄膜热电材料和p型薄膜热电材料之间的间隙上设置有二氧化硅。

9.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构，其特征在于，所述绝缘防热层(1)的材料为抗氧化c/c复合材料，厚度为1～2毫米，所述薄膜热电层(2)的厚度小于1.26毫米，所述相变控温层(3)的厚度为1～4毫米。

10.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构，其特征在于，所述导电薄膜层(201)的材料为银单质，厚度为0.25毫米，所述基底薄膜层(204)的材料为单晶硅。

技术总结
本发明公开了一种高超声速飞行器蒙皮内壁面的薄膜热电结构，包括依次连接的绝缘防热层、薄膜热电层和相变控温层；绝缘防热层覆盖在高超声速飞行器蒙皮内壁面上，薄膜热电层内设置有热电功能薄膜组，热电功能薄膜组包括导电薄膜层和基底薄膜层，基底薄膜层上交替排列有N型薄膜热电材料和P型薄膜热电材料形成热电薄膜层，导电薄膜层设置在热电薄膜层上；导电薄膜层内设置有导电线路，基底薄膜层外接电阻，导电线路、电阻与N型薄膜热电材料和P型薄膜热电材料形成闭合回路。本发明集成防热和热能再利用一体化，设计了气动热再利用的结构和功能，为飞行器热防护系统的设计提供更多思路。

技术研发人员：龚春林,陈世源,高戈,苟建军,方岩,严鑫佳,万佳颖
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15