CN113601922A - 一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构 - Google Patents

一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构 Download PDF

Info

Publication number
CN113601922A
CN113601922A CN202110738635.1A CN202110738635A CN113601922A CN 113601922 A CN113601922 A CN 113601922A CN 202110738635 A CN202110738635 A CN 202110738635A CN 113601922 A CN113601922 A CN 113601922A
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal lattice
sandwich plate
ablation
core
metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110738635.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113601922B (zh
Inventor
胡励
林仁邦
冀宾
闫世宇
黄强
陈鸣亮
张醒
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Aerospace System Engineering Institute
Original Assignee
Shanghai Aerospace System Engineering Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Aerospace System Engineering Institute filed Critical Shanghai Aerospace System Engineering Institute
Priority to CN202110738635.1A priority Critical patent/CN113601922B/zh
Publication of CN113601922A publication Critical patent/CN113601922A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113601922B publication Critical patent/CN113601922B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/20—Layered products comprising a layer of metal comprising aluminium or copper
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/04—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/52—Protection, safety or emergency devices; Survival aids
    • B64G1/58—Thermal protection, e.g. heat shields
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/30—Properties of the layers or laminate having particular thermal properties
    • B32B2307/306—Resistant to heat
    • B32B2307/3065—Flame resistant or retardant, fire resistant or retardant
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/70—Other properties
    • B32B2307/718—Weight, e.g. weight per square meter
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Critical Care (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

本发明公开一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构，由一体成形的金属点阵夹层板作为骨架，将承力结构和防热结构有机结合，消除了功能结构间的连接界面；承力结构采用金属点阵夹层板结构形式，提供比传统夹层结够更高效的力学性能；防热结构的基体采用低密度耐烧蚀性高分子材料，增强体采用金属点阵芯子，能有效降低防热结构质量烧蚀率；通过在承力结构的夹层板中填充相变材料，可以进一步减缓由金属点阵热短路引起的局部高温。本发明能够在相同承载能力前提下提供更轻量化的结构形式，且可消除气动热冲刷条件下防热结构与承力结构界面连接失效的风险。

Description

一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构
技术领域
本发明属于飞行器结构热防护系统领域，特别涉及一种适用于再入飞行器的金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构。
背景技术
未来航天器的天地往返和星际运输活动将日益频繁，对更轻质、更可靠的热防护系统(Thermal Protection System,TPS)的需求也更为迫切，引起了科学理论界和航天工程领域广泛而持续的关注。
上世纪60年代后，再入飞行器的防热结构逐渐采用兼具防热和承力的夹层结构，且低密度化的烧蚀材料逐步成为最常用的防热方式，广泛用于高比焓、低热流密度、低剪力和长时间加热的热障环境防护，例如，“阿波罗”登月飞船的AVCOAT-5026烧蚀材料蜂窝夹层结构，“好奇号”火星探测器的纤维编织体浸渍固化高温树脂材料(PICA)夹层结构等。这类TPS的主要问题是：(1)烧蚀材料的低密度化发展较快，与之匹配的承力结构形式单一，减重空间较大；(2)烧蚀材料与承力结构的界面连接(胶接或机械连接)在严酷的热力环境下存在失效风险，可靠性不强。
研究发现，轻质的点阵夹层结构与蜂窝夹层结构具有相当的抗剪和抗弯性能，但抗压性能更为优越，该类结构在航空航天领域的应用前景得到广泛关注，以填充功能材料形成的功能复合夹层结构ITPS(Integrated Thermal Protection System,ITPS)也得到系统的研究，结合C/SiC等高温陶瓷材料及制备技术的发展，高温陶瓷面板加隔热材料填充的ITPS概念得到高度关注，在高温、高焓、高剪力的高超音速飞行器、重复使用飞行器上具有广泛应用前景。这类ITPS的主要问题是：(1)高温陶瓷材料的强度和断裂韧性都比高性能合金低，从力学角度讲其高温陶瓷材料夹层结构的轻量化优势不明显；(2)热桥效应是点阵夹层结构共有的传热特征，填充隔热材料或者叠加隔热层的方法均会引起上述的界面连接风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种金属点阵增强烧蚀夹层板结构，能够实现结构轻量化和消除功能界面连接失效的风险。
本发明所采用的技术方案是：一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构，包括金属点阵夹层板骨架和骨架内部填充材料；
金属点阵夹层板骨架包括第一金属点阵芯子及点阵芯子间的连杆、第二金属点阵芯子及点阵芯子间的连杆、上面板、下面板；金属点阵夹层板骨架为一体化成形结构；以上面板为分界，两侧分别为烧蚀结构功能模块、承力结构功能模块；
所述烧蚀结构功能模块的基体材料采用低密度耐烧蚀性高分子材料，增强体采用第一金属点阵芯子，基体材料包裹第一金属点阵芯子并固化；
所述结构功能模块为夹层板结构，包括上面板、下面板和中间的第二金属点阵芯子，第二点阵芯子中间填充隔热材料和相变材料。
所述金属点阵夹层板骨架采用轻合金，通过增材制造工艺或者机械扣合装配结合真空焊接工艺制备而成。
所述烧蚀结构功能模块的基体材料采用铝合金、钛合金或者高温镍基合金。
所述第一金属点阵芯子直接从上面板向外生长出来。
所述第一金属点阵芯子的拓扑构型、胞元形式及尺寸根据需求进行设定。
所述第二金属点阵芯子的拓扑构型、胞元形式及尺寸根据承载要求确定。
所述第二金属点阵芯子中间填充的隔热材料采用SiO2气凝胶或聚氨酯泡沫。
所述第二金属点阵芯子中间填充的相变材料采用石蜡。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用一体成形的金属点阵夹层板作为骨架，将防热材料和承力结构有机结合，消除界面连接失效的风险。
(2)本发明利用点阵夹层板作为承力相提供更优越的力学性能，有助于实现结构轻量化。
(3)本发明采用低密度烧蚀材料提供更高效的防热性能，有助于实现结构轻量化。
(4)本发明外面板伸出更小尺度的点阵网络(称为“点阵增强体”)作为烧蚀材料的增强相，有效减缓烧蚀材料的质量烧蚀率。
附图说明
图1为本发明的金属点阵增强烧蚀夹层板结构整体示意图；
图2为本发明的金属点阵增强烧蚀夹层板结构的一体化成形的金属点阵夹层板骨架示意图；
图3为本发明的一种金属点阵增强烧蚀夹层板结构的烧蚀结构试验后表观形貌图；
附图标记说明：
1：烧蚀结构功能模块；2：承力结构功能模块；3：低密度耐烧蚀性高分子材料；4：第一金属点阵芯子；5：上面板；6：第二金属点阵芯子；7：下面板；8：一体化成形的金属点阵夹层板骨架。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构作进一步详细说明。根据下面说明和权力要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参看图1至3，一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构，包括一体化成形的金属点阵夹层板骨架8和内部填充材料；一体化成形的金属点阵夹层板骨架8包括第一金属点阵芯子4及点阵芯子间的连杆、第二金属点阵芯子6及点阵芯子间的连杆、上面板5、下面板7，以金属点阵夹层板骨架8的上面板5为分界，上部分属于烧蚀结构功能模块1，下部分属于承力结构功能模块2，两个功能模块通过一体化成形的金属点阵夹层板骨架有机结合。
其中，一体化成形的金属点阵夹层板骨架8采用了大于150MPa/(g/cm3)的高比强度和近25000MPa/(g/cm3)的高比刚度的轻合金，例如铝合金、钛合金或者高温镍基合金等，通过增材制造工艺或者机械扣合装配结合真空焊接工艺制备而成，从而可以实现平板、曲板或者更加复杂的表面形状。
烧蚀结构功能模块1采用低密度烧蚀材料体系，其中烧蚀材料的基体采用低密度耐烧蚀性高分子材料3(材料密度小于0.6g/cm3)，例如酚醛树脂，苯基硅橡胶等耐高温烧蚀材料，增强体采用第一金属点阵芯子4，基体材料紧密包裹第一金属点阵芯子4，通过高温加压工艺固化后，烧蚀材料基体与增强体形成致密的耐烧蚀材料。
第一金属点阵芯子4直接从一体化成形的金属点阵夹层板骨架8的上面板5向外生长出来。
第一金属点阵芯子4的拓扑构型、胞元形式及尺寸的不同设计，可对烧蚀材料的基体材料实现不同程度的强化作用，有效降低防热结构的质量烧蚀率，本实施例中的第一金属点阵芯子4的胞元类型采用金字塔型胞元，且采用纵横的连杆将各胞元在节点处连接起来，胞元的杆径为0.5mm，在1.2MW/m2的气动加热条件下加热200s，烧蚀材料的质量烧蚀率约为30.5％。
其中，结构功能模块2是由上面板5、中间的第二金属点阵芯子6和下面板7组成的夹层板，第二金属点阵芯子6的拓扑构型、胞元形式及尺寸可根据承载工况具体设计确定，本实施例中采用了双层金字塔胞元形式，胞元的杆径为1mm，面板的厚度为1mm，其三点弯曲破坏强度达到80kg。
夹层板通过在第二金属点阵芯子6中间填充隔热材料，例如SiO2气凝胶、聚氨酯泡沫等，可有效降低夹层板内热辐射效应；通过在第二点阵芯子6中间填充相变材料，例如石蜡等材料，可有效阻隔通过第二金属点阵芯子6杆件的热传导效应，最终减缓由金属点阵热短路引起的局部高温。
由此可见，本发明成功解决了传统点阵夹层结构轻量化效果不显著、功能界面连接失效的问题，利用一体成形的金属点阵夹层板作为骨架将防热材料和承力结构有机结合，消除界面连接失效的风险；同时利用点阵夹层板作为承力相提供更优越的力学性能，采用低密度烧蚀材料提供更高效的防热性能，进而有助于实现结构轻量化；利用外面板伸出更小尺度的点阵网络作为烧蚀材料的增强相，有效减缓烧蚀材料的质量烧蚀率。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明专利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入本发明的保护范围之中。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构，其特征在于，包括金属点阵夹层板骨架(8)和骨架内部填充材料；
金属点阵夹层板骨架(8)包括第一金属点阵芯子(4)及点阵芯子间的连杆、第二金属点阵芯子(6)及点阵芯子间的连杆、上面板(5)、下面板(7)；金属点阵夹层板骨架(8)为一体化成形结构；以上面板(5)为分界，两侧分别为烧蚀结构功能模块(1)、承力结构功能模块(2)；
所述烧蚀结构功能模块(1)的基体材料采用低密度耐烧蚀性高分子材料，增强体采用第一金属点阵芯子(4)，基体材料包裹第一金属点阵芯子(4)并固化；
所述结构功能模块(2)为夹层板结构，包括上面板(5)、下面板(7)和中间的第二金属点阵芯子(6)，第二点阵芯子(6)中间填充隔热材料和相变材料。
2.根据权利要求1所述的一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构，其特征在于，所述金属点阵夹层板骨架(8)采用轻合金，通过增材制造工艺或者机械扣合装配结合真空焊接工艺制备而成。
3.根据权利要求2所述的一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构，其特征在于，所述烧蚀结构功能模块(1)的基体材料采用铝合金、钛合金或者高温镍基合金。
4.根据权利要求3所述一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构，其特征在于，所述第一金属点阵芯子(4)直接从上面板(5)向外生长出来。
5.根据权利要求4所述一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构，其特征在于，所述第一金属点阵芯子(4)的拓扑构型、胞元形式及尺寸根据需求进行设定。
6.根据权利要求5所述的一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构，其特征在于，所述第二金属点阵芯子(6)的拓扑构型、胞元形式及尺寸根据承载要求确定。
7.根据权利要求6所述的一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构，其特征在于，所述第二金属点阵芯子(6)中间填充的隔热材料采用SiO2气凝胶或聚氨酯泡沫。
8.根据权利要求7所述的一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构，其特征在于，所述第二金属点阵芯子(6)中间填充的相变材料采用石蜡。
CN202110738635.1A 2021-06-30 2021-06-30 一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构 Active CN113601922B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110738635.1A CN113601922B (zh) 2021-06-30 2021-06-30 一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110738635.1A CN113601922B (zh) 2021-06-30 2021-06-30 一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113601922A true CN113601922A (zh) 2021-11-05
CN113601922B CN113601922B (zh) 2023-06-16

Family

ID=78337041

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110738635.1A Active CN113601922B (zh) 2021-06-30 2021-06-30 一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113601922B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114670500A (zh) * 2022-04-21 2022-06-28 西安交通大学 一种有序堆积相变热防护层
CN115926463A (zh) * 2022-11-11 2023-04-07 中国科学院力学研究所 一种点阵增强的热防护结构

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101417516A (zh) * 2008-02-29 2009-04-29 中国人民解放军国防科学技术大学 承载/隔热/烧蚀一体化夹芯结构复合材料及其制备方法
US20090282773A1 (en) * 2006-10-27 2009-11-19 University Of Virginia Patent Foundation Manufacture of Lattice Truss Structures from Monolithic Materials
CN102390136A (zh) * 2011-08-16 2012-03-28 西安交通大学 一种多层点阵金属-泡沫铝复合材料及其制备方法
CN102909908A (zh) * 2012-10-26 2013-02-06 西安交通大学 一种金字塔点阵金属-环氧树脂基阻尼复合结构及其制备方法
CN103950259A (zh) * 2014-05-13 2014-07-30 北京大学 一种复合材料耐火承载一体化点阵结构及其制备方法
CN205112548U (zh) * 2015-09-09 2016-03-30 西安理工大学 一种轻质复合点阵夹芯板
CN105667837A (zh) * 2015-09-15 2016-06-15 大连理工大学 一种含流道的金字塔微桁架夹芯板式承载与热防护一体化结构
CN108326525A (zh) * 2016-12-10 2018-07-27 中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所 一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090282773A1 (en) * 2006-10-27 2009-11-19 University Of Virginia Patent Foundation Manufacture of Lattice Truss Structures from Monolithic Materials
CN101417516A (zh) * 2008-02-29 2009-04-29 中国人民解放军国防科学技术大学 承载/隔热/烧蚀一体化夹芯结构复合材料及其制备方法
CN102390136A (zh) * 2011-08-16 2012-03-28 西安交通大学 一种多层点阵金属-泡沫铝复合材料及其制备方法
CN102909908A (zh) * 2012-10-26 2013-02-06 西安交通大学 一种金字塔点阵金属-环氧树脂基阻尼复合结构及其制备方法
CN103950259A (zh) * 2014-05-13 2014-07-30 北京大学 一种复合材料耐火承载一体化点阵结构及其制备方法
CN205112548U (zh) * 2015-09-09 2016-03-30 西安理工大学 一种轻质复合点阵夹芯板
CN105667837A (zh) * 2015-09-15 2016-06-15 大连理工大学 一种含流道的金字塔微桁架夹芯板式承载与热防护一体化结构
CN108326525A (zh) * 2016-12-10 2018-07-27 中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所 一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114670500A (zh) * 2022-04-21 2022-06-28 西安交通大学 一种有序堆积相变热防护层
CN115926463A (zh) * 2022-11-11 2023-04-07 中国科学院力学研究所 一种点阵增强的热防护结构
CN115926463B (zh) * 2022-11-11 2023-07-04 中国科学院力学研究所 一种点阵增强的热防护结构

Also Published As

Publication number Publication date
CN113601922B (zh) 2023-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Le et al. Advanced sandwich structures for thermal protection systems in hypersonic vehicles: A review
CN113601922A (zh) 一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构
JP2538351B2 (ja) 熱保護システム
CN106515091B (zh) 高导热碳纤维面板预埋热管的铝蜂窝夹层板及其制备方法
Udupa et al. Future applications of carbon nanotube reinforced functionally graded composite materials
US20120125571A1 (en) Heat-Dissipating Device for Space-Based Equipment, Notably for a Satellite
CN212046202U (zh) 一种高超声速飞行器相变隔热复合热防护结构
Gao et al. A novel mechanical-thermal-electrical thermal protection system concept and its multi-scale performance evaluation for hypersonic launch vehicles
CN114180026B (zh) 一种疏导相变复合柔性热防护结构及其在可变形飞行器中的应用
CN113120213B (zh) 一种可变形乘波体耐高温柔性蒙皮及其设计方法
Kelly et al. Research in structures and materials for future space transportationsystems-An overview
McDanels et al. Graphite fiber/copper matrix composites for space power heat pipe fin applications
CN115926463B (zh) 一种点阵增强的热防护结构
Scipio Structural Design Concepts: Some NASA Contributions
Adler et al. Novel phased array antenna structure design
CN117163279A (zh) 一种蜂窝填充多功能热防护结构及其构建方法
Lukez The use of graphite/epoxy composite structures in space applications
Mousavi Safavi et al. Computation of Designed Values of the Relative Density of a Rod Filler for Three-Layer Construction
Romeo Manufacturing and testing of graphite-epoxy wing box and fuselage structures for a solarpowered UAV-HAVE
CN114043784B (zh) 一种力热一体化轻质运载火箭底隔板结构
CN214419782U (zh) 增强型绝热材料及其芯材
Gai The application study status of spacecraft structural materials
Lee Advanced conductive composite materials for spacecraft application
CN117944327A (zh) 一种过拉伸芳纶纤维蜂窝夹层碳纤维复合管及其制作方法
CN115743514A (zh) 一种轻质防热承力隐身一体化结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant