CN115230284A - 可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，属于高超声速飞行器多功能一体化结构领域。本发明将掺杂有吸波材料和磁性粒子的气凝胶与不同纤维复合，制备出复合气凝胶绝热纤维，使其具有优异的隔热性能、力学性能和宽频吸波等综合性能。将相变材料吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料，利用相变材料具有的高相变潜热、高热容的储能特点来吸收热量，利用吸波材料和磁性粒子形成复合吸波材料，提高阻抗匹配效果和有效吸波带宽。通过多功能耦合结构优化设计和图案化处理，形成所述最优立体图案布局结构，结合多层材料的组装成型工艺，实现可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，属于高超声速飞行器多功能一体化结构领域。
背景技术
随着我国深空探测、载人登月等重大战略规划的实施，新一代航天器装备对结构平台提出了更为严苛的多功能一体化要求，如何实现装备结构平台的多功能化设计与一体化制造是学术界和工业界长期关注的焦点问题。
高超声速飞行器在大气层内高速飞行时，面临严苛的热力环境，为保护飞行器机体结构及舱内仪器设备的正常工作，需要对飞行器进行防隔热设计。传统的高超声速飞行器结构采用承力与防热功能分体的设计方法，随着飞行速度提高、飞行时间增长，单一功能的结构设计方案将付出较大的质量代价，难以满足飞行器性能提升及更高使用环境要求。
与此同时，高超声速飞行器服役过程中面临交变温度、空间等离子体、电磁辐射、行星大气等极端环境条件，为满足高超声速飞行器在恶劣环境下的通讯、制导、引爆等功能，通常需要在飞行器上局部安装有具有透波功能的材料。对于高超声速飞行器而言，由于飞行条件恶劣，高温环境对目标表面材料的影响极其复杂，材料的电磁隐身性能、耐热稳定性、表面材料与基底材料的结合，以及材料的承载性能等都会受到高温作用影响，同时高低温交变也会对材料的使用性能产生严重影响，因此高超声速飞行器对材料的防热、承载及透波性能都有较高的要求。
相比于传统涂层隐身材料，结构化隐身技术能够突破材料电磁参数搭配的固有局限，具有广阔的可设计性以及多功能兼容性，近年来成为隐身技术领域的前沿和热点。新型多功能一体化结构需具备宽频透波、防隔热、承载、隐身等多功能需求，但隐身结构的轻量化设计与宽频化设计在构型特征的要求上往往存在矛盾，因此发展多功能耦合结构优化设计理论，是实现宽频电磁隐身承载防隔热一体化结构轻量化和宽频化的重点和难点。
因此，目前高超声速飞行器结构从单一功能向多功能一体化方向发展，多功能结构不仅能够实现耐高温、强度高、环境稳定性好等特点，同时能够兼顾承力、宽频透波、隐身等功能，实现轻质高效结构设计，进一步提高结构效率。
发明内容
为克服高超声速飞行器在大气层内高速飞行时面临的极端环境条件，满足高超声速飞行器在恶劣环境下的通讯、制导、引爆等功能，本发明的目的是提供一种可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，将掺杂有吸波材料和磁性粒子的气凝胶与不同纤维复合，制备出复合气凝胶绝热纤维，作为复合隔热材料，使其具有优异的隔热性能、力学性能和宽频透波等综合性能，隔绝高温，吸收电磁波，提高隐身性能。将掺杂有吸波材料和磁性粒子的相变材料吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料，利用相变材料具有的高相变潜热、高热容的储能特点来吸收热量，利用吸波材料和磁性粒子形成复合吸波材料，提高阻抗匹配效果和有效吸波带宽，通过多种损耗机制协同作用强烈衰减电磁波能量，吸收电磁波，提高隐身性能。通过多功能耦合结构优化设计和图案化处理，在满足宽频隐身功能基础上兼顾防隔热、承载、轻量化需求得到最优图案布局，将芯子结构晶胞单元以填充和非填充的形式形成所述最优立体图案布局结构，结合多层材料的组装成型工艺，实现可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，在耐高温、高强度、环境稳定性好等特点的基础上，同时兼顾宽频吸波、隐身等功能，实现高超声速飞行器结构的多功能一体化。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，包括防热透波面板、复合隔热材料、复合相变材料、芯子结构和绝热反射面板。将掺杂有吸波材料和磁性粒子的气凝胶与不同纤维复合，制备出复合气凝胶绝热纤维，作为复合隔热材料，使其具有优异的综合性能，实现隔绝高温、吸收电磁波，提高隐身性能。所述综合性能包括隔热性能、力学性能和宽频隐身性能。将掺杂有吸波材料和磁性粒子的相变材料吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料，利用相变材料具有的高相变潜热、高热容的储能特点来吸收热量，利用吸波材料和磁性粒子形成复合吸波材料，提高阻抗匹配效果和有效吸波带宽，通过多种损耗机制协同作用强烈衰减电磁波能量，吸收电磁波，提高隐身性能。通过多功能耦合结构优化设计和图案化处理，在满足宽频隐身功能基础上兼顾防隔热、承载、轻量化需求得到最优图案布局，将芯子结构晶胞单元以填充和非填充的形式形成所述最优立体图案布局结构，结合多层材料的组装成型工艺，实现可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，在耐高温、高强度、环境稳定性好优点的基础上，同时兼顾宽频吸波、隐身功能，实现高超声速飞行器结构的多功能一体化。
所述防热透波面板主要起到防热、透波和低频吸波三重作用。作为优选，采用防热性能、承载能力和透波性能良好，同时兼具低频吸波性能的材料面板。
所述复合隔热材料是事先压制定型的复合隔热材料，主要起到绝热和吸波双重作用。即将掺杂有吸波材料和磁性粒子的气凝胶与不同纤维复合，制备出复合隔热材料，利用气凝胶具有极好的隔热性能和极低的密度，隔绝高温，同时由于气凝胶的多孔结构使其力学强度较低，通过与不同纤维复合，使其具有优异的综合性能；同时吸波材料和磁性粒子的混合使结构具有多种电磁损耗机制，通过多种方式耗散电磁波，提高隐身性能。
所述复合相变材料是事先压制定型的复合相变材料，主要起到吸热和吸波双重作用。即将掺杂有吸波材料和磁性粒子的相变材料吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料，利用相变材料具有的高相变潜热、高热容的储能特点来吸收热量；同时磁性粒子提供磁损耗，吸波材料作为导电材料提供电损耗，磁性粒子和吸波材料形成复合吸波材料，耗散电磁波，提高隐身性能。
所述芯子结构主要起到承力和隔热双重作用。作为优选，当采用蜂窝芯子结构时，蜂窝芯子形状主要采用正六边形，其制造简单，用料节省，强度也较高，具有质量轻、强度大、刚度大的特点。正六边形蜂窝结构具有重量轻、弯曲刚度及强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸音、隔热的优点，同时具有各向异性特征，通过多功能耦合结构优化设计和图案化处理，蜂窝芯子结构中的六边形晶胞单元以填充和非填充的形式形成所述最优立体图案布局结构，在满足结构强度、隔热效果的基础上，特殊的图案化结构提高整个蜂窝芯子结构吸波材料的表面特性阻抗，减少界面的全反射，极大提高有效吸波带宽，反射损耗峰值也有所增加。在实现轻质化的同时，还有益于隔音降噪。
通过多功能耦合结构优化设计和图案化处理，在满足宽频隐身功能基础上兼顾防隔热、承载、轻量化需求得到最优图案布局，将芯子结构晶胞单元以填充和非填充的形式形成所述最优立体图案布局结构，作为优选，具体实现方法如下：采用卷积神经网络，将每一层的切片信息作为数据集，构建卷积神经网络，对切片图像进行预处理，进行切片图像的识别与分类并对闭合多边形区域进行标记，通过参数共享机制能够显著减少网络参数与计算量，快速精准实现闭合多边形的识别与标记。对于已经标记完成的切片图像，将每一个多边形视为一个像素点，通过模拟退火算法求解切片填充路径，在填充路径规划过程中，遍历每一条路径，利用模拟退火算法的渐近收敛性避免局部最优解问题，能够提高填充路径规划鲁棒性，实现切片填充路径规划的全局最优。然后从初始点开始检测相邻位置是否是边界颜色，若不是就用填充色着色，并检测该像素点的相邻位置，直到检测完填充路径区域边界颜色范围内的所有像素为止，即实现芯子结构图案化自适应填充，得到所述最优立体图案布局结构。
所述绝热反射面板主要起到绝热和反射电磁波的作用。作为优选，主要采用绝热能力、反射电磁波能力良好的热沉材料面板。
所述可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，作为优选，为有效降低从防热透波面板传递至绝热反射面板的温度，吸收电磁波，提高承载性能，将复合隔热材料和复合相变材料依次填充于芯子结构内部，复合隔热材料填充于芯子结构内部上方，主要起到隔绝热量、吸收电磁波的功效，复合相变材料由于使用温度较低，填充于芯子结构内部下方。复合相变材料放在复合隔热材料下面，主要利用相变材料具有高相变潜热、高热容的储能特点来吸收热量，同时其中的复合吸波材料，耗散电磁波，提高隐身性能。
作为优选，防热透波面板吸收热流/高温并向环境辐射热量，热量通过防热透波面板向蜂窝结构传递，当热量传递至芯子结构时，芯子结构中填充的复合隔热材料隔绝热量向下传递，起到热防护效果。
作为优选，当通过芯子结构向下传递额外的热量时，芯子结构内部填充的复合相变材料吸热达到相变温度，从固态变为液态/气态，通过相变吸收大量热量，过量的热负荷被相变材料吸收，实现热防护。
作为优选，当复合相变材料吸收过量的热量时，热量通过芯子结构向下传递至绝热反射面板，绝热反射面板采用热沉材料，吸收热量，使面板温度保持恒定。
作为优选，基于防热透波面板具有优良的透波性和低频吸波性能，当电磁波向防热透波面板传播时，低频电磁波被有效吸收，中高频电磁波穿过防热透波面板向芯子结构传播，在此过程中电磁波的反射率极低，可显著减少电磁波的反射。回波减少，降低雷达接收机所能够截获的电磁波的能量，使得雷达对目标的探测距离缩短，起到隐身作用。
作为优选，在芯子结构内部填充的复合隔热材料和复合相变材料，其中掺杂有大量的吸波材料和磁性粒子，磁性粒子提供磁损耗，吸波材料作为导电材料提供电损耗，吸波材料和磁性粒子形成复合吸波材料，具有很好的阻抗匹配效果以及宽频吸波能力。当电磁波透过防热透波面板向下传播时，复合吸波材料吸收中高频电磁波，提高隐身性能。
作为优选，当电磁波透过蜂窝结构向下传播至绝热反射面板时，此时剩余微量的电磁波受到反射，部分反射波与入射波干涉相消，减少电磁波的反射，提高宽频吸波能力。最终将传播的所有电磁波吸收在可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构中，实现隐身效果。
作为优选，通过优化防热透波面板、复合隔热材料、复合相变材料、芯子结构和绝热反射面板的厚度、结构，以及复合隔热材料和复合相变材料的填充量，通过多功能耦合结构优化设计和图案化处理，将芯子结构晶胞单元以填充和非填充的形式形成所述最优立体图案布局结构，显著提升可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构的有效吸波带宽、承载能力、防隔热能力以及隐身能力，同时实现结构轻量化。
作为优选，防热透波面板和芯子结构的连接采用销钉组装，加工工艺简单，安装使用便捷，固定牢靠，力度适中，不会穿透芯子板材，高温高压下无变形，对材料和结构无损伤。销钉将防热透波面板和芯子结构连接成整体，传递防热透波面板和芯子结构之间的载荷；芯子结构支持防热透波面板承受垂直于防热透波面板的压缩应力，并能防止防热透波面板因轴压引起的屈曲，此时芯子结构承受压缩和剪切载荷。
作为优选，芯子结构和绝热反射面板的连接采用最佳胶接工艺，胶粘剂将绝热反射面板和芯子结构胶接成整体，传递芯子结构和绝热反射面板之间的载荷。通过采用最佳胶接工艺，选择固化温度下流动性好，剪切强度和剥离强度符合要求的胶粘剂，在经过表面处理后，将芯子结构和绝热反射面板进行胶接，最后通过加压固化和后处理工艺，提高结构的抗变形性，同时减少其在胶接过程中的收缩变形。在高温高压下，芯子结构和绝热反射面板的胶接性能优良，胶接质量满足要求。
作为优选，芯子结构和复合隔热材料、复合相变材料之间的连接采用硅基聚合物胶接工艺，选择具有优良的胶合强度、耐水性、耐热性、耐老化性能和固化速率的胶粘剂，通过分析聚合物和填料的种类，选择合适的胶粘剂，在经过胶接处理后，使芯子结构和复合隔热材料、复合相变材料之间无脱粘缺陷，各项指标大于设计要求值，满足指标要求，胶接质量良好。
本发明公开的一种可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构的工作方法为：
在工作过程中，防热透波面板吸收热流/高温并向环境辐射热量，热量通过防热透波面板向下传递至芯子结构，此时芯子结构中填充的复合隔热材料，起到绝热作用，防止过多的热负荷向下传递。当通过芯子结构传递额外的热量时，由于复合相变材料的导热性和强储热能力，当达到相变温度时，相变材料从固态变为液态/气态，通过相变吸收大量热量，过量的热负荷被相变材料吸收，当相变材料吸收的热量达到饱和时，热量继续向下传递至绝热反射面板，绝热反射面板采用热沉材料吸收热量，使得底部面板保持在安全的温度范围之内。
在工作过程中，高超声速飞行器在稠密大气层中运动，空气受到强烈的压缩和剧烈的摩擦作用，高超声速飞行器表面气动加热剧烈，在产生热量的同时也产生严重的压力，防热透波面板受到严峻的载荷作用，此时销钉将防热透波面板和芯子结构连接成整体，传递防热透波面板和芯子结构之间的载荷；芯子结构支持防热透波面板承受垂直于防热透波面板的压缩应力，并能防止防热透波面板因轴压引起的屈曲，此时芯子结构承受压缩和剪切载荷。胶粘剂将绝热反射面板和芯子结构胶接成整体，传递芯子结构和绝热反射面板之间的载荷，使得多功能一体化结构具有足够的刚度、强度和稳定性。多功能一体化结构不会因过大的应力产生结构破坏和有害变形，在压缩载荷下不发生屈曲失稳，多功能一体化结构形变在可控范围之内，维持高超声速飞行器稳定的气动外形，保证飞行器的气动特性不发生改变。
在工作过程中，由于防热透波面板具有优良的透波性和低频吸波性能，当电磁波向防热透波面板传播时，低频电磁波被有效吸收，中高频电磁波穿过防热透波面板向蜂窝结构传播，在此过程中电磁波的反射率极低，能够显著减少电磁波的反射。回波减少，降低雷达接收机所能够截获的电磁波的能量，使得雷达对目标的探测距离缩短，起到隐身作用。当电磁波传播至芯子结构时，在芯子结构内部填充的复合隔热材料和复合相变材料，其中掺杂有大量的吸波材料与磁性粒子，磁性粒子提供磁损耗，吸波材料作为导电材料提供电损耗，二者形成复合吸波材料，具有很好的阻抗匹配特性，并能提高有效吸波带宽，吸收大量中高频电磁波，提高隐身性能。当电磁波透过芯子结构向下传播至绝热反射面板时，此时剩余微量的电磁波受到反射，部分反射波与入射波干涉相消，减少电磁波的反射，提高宽频吸波能力，最终将传播的所有电磁波吸收在可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构中，实现隐身效果。
有益效果：
1、本发明公开的一种可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，通过多功能耦合结构优化设计和图案化处理，在满足宽频隐身功能基础上兼顾防隔热、承载、轻量化需求得到最优图案布局，将芯子结构晶胞单元以填充和非填充的形式形成所述最优立体图案布局结构，结合多层材料的组装成型工艺，实现可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，在耐高温、高强度、环境稳定性好等特点的基础上，同时兼顾宽频吸波、隐身等功能，实现高超声速飞行器结构的多功能一体化。
2、本发明公开的一种可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，将掺杂有吸波材料和磁性粒子的气凝胶与不同纤维复合，制备出复合隔热材料；将掺杂有吸波材料和磁性粒子的相变材料吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料，磁性粒子提供磁损耗，吸波材料作为导电材料提供电损耗，二者形成复合吸波材料，具有很好的阻抗匹配特性，耗散电磁波，实现隐身效果。
3、本发明公开的一种可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，芯子结构采用的正六边形蜂窝结构具有重量轻、弯曲刚度及强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸音、隔热等优点，其制造简单，用料节省，同时蜂窝具有独特的形状和各向异性特征，特殊的结构提高了整个蜂窝芯子结构吸波材料的表面特性阻抗。
4、本发明公开的一种可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，在多层材料的组装成型过程中，采用销钉组装和最佳胶接工艺，加工步骤简单，安装使用便捷，固定牢靠，力度适中，高温高压下无变形，胶接性能优良，对材料和结构无损伤，可传递不同材料和结构之间的载荷。
5、本发明公开的一种可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，复合相变材料具有潜热大、质量轻、可靠性高等优点，利用相变材料具有的高相变潜热、高热容的储能特点来吸收热量，实现热防护效果。
6、本发明公开的一种可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，将相变材料吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料，由于多孔结构的尺寸较小，即使发生固液相变，相变材料也被牢牢的固定在孔隙中。通过所述结构，能够将复合相变材料直接放置在芯子结构内，消除附加密封容器。
附图说明
图1为本发明可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构的透视图；
图2为本发明可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构的正视图；
图3为本发明可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构的分离示意图；
图4为本发明可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构的图案化示意图；
图5为本发明可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构中填充了复合隔热材料和复合相变材料的蜂窝结构，选择某一图案化处理后的示意图；
图6为本发明可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构作用机理示意图；
图7为本发明可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构中掺杂有吸波材料和磁性粒子的气凝胶与不同纤维复合，制备出复合隔热材料的过程示意图；
图8为本发明可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构中掺杂有吸波材料和磁性粒子的相变材料吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料的过程示意图；
图9为本发明可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构中的蜂窝芯子结构替换为格栅芯子结构后的透视图；
图10为本发明可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构中的蜂窝芯子结构替换为格栅芯子结构后的分离示意图；
图11为本发明可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构中的蜂窝芯子结构替换为格栅芯子结构后的图案化示意图；
图12为本发明可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构中的蜂窝芯子结构替换为格栅芯子结构后，填充了复合隔热材料和复合相变材料的格栅芯子结构，选择某一图案化处理后的示意图；
图13为可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构的设计组装成型过程的流程图。
其中：1—防热透波面板、2—蜂窝芯子结构、3—绝热反射面板、4—复合隔热材料、5—复合相变材料、6—吸波材料、7—磁性粒子。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
图1和图2分别示出了本实施例公开的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构的透视图和正视图，图3示出了本实施例公开的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构的分离示意图。本实施例公开的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构包括防热透波面板1、蜂窝芯子结构2、绝热反射面板3、复合隔热材料4和复合相变材料5，其中复合隔热材料4由掺杂有吸波材料石墨烯6和磁性粒子羟基铁7的气凝胶与不同纤维复合构成，复合相变材料5由掺杂有吸波材料石墨烯6和磁性粒子羟基铁7的相变材料吸收到多孔结构中制备构成。
图4示出了本实施例公开的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构的图案化示意图，图5示出了本实施例公开的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构中填充了复合隔热材料和复合相变材料的蜂窝芯子结构，在随机选择某一图案化处理后的示意图。在满足宽频隐身功能基础上兼顾防隔热、承载、轻量化需求得到最优图案布局，将芯子结构晶胞单元以填充和非填充的形式形成所述最优立体图案布局结构，显著提升可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构的有效吸波带宽、反射损耗峰值、承载能力、防隔热能力以及隐身能力，同时实现结构轻量化。随机选择某一图案化处理后的结果如图4所示。
图6示出了本实施例公开的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构作用机理示意图。如图6所示，当热流/高温作用于防热透波面板1表面时，防热透波面板1吸收热流/高温并向环境辐射热量，热流将沿着蜂窝芯子结构2向下传递至绝热反射面板3，造成绝热反射面板3温度过高，使得承力结构可能会遭到破坏，显著降低多功能一体化结构的热防护能力；当电磁波传播至防热透波面板1表面时，防热透波面板1吸收电磁波并向环境反射电磁波，被防热透波面板1吸收的电磁波继续向下传播，直到传播至绝热反射面板3。
图7示出了本实施例公开的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构中掺杂有吸波材料和磁性粒子的气凝胶与不同纤维复合，制备出复合隔热材料的过程示意图。如图7所示，将吸波材料石墨烯6和磁性粒子羟基铁7掺杂到气凝胶中，与不同纤维复合，制备出复合隔热材料4。
图8示出了本实施例公开的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构中掺杂有吸波材料和磁性粒子的相变材料吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料的过程示意图。如图8所示，将吸波材料石墨烯6和磁性粒子羟基铁7掺杂到相变材料中，然后吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料5。
如图1、图2和图4所示，本实施例公开的一种可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，为有效降低从防热透波面板1传递至绝热反射面板3的温度、吸收电磁波，提高承力性能，通过将芯子结构晶胞单元以填充和非填充的形式形成所述最优立体图案布局结构，将复合隔热材料4和复合相变材料5依次填充于蜂窝芯子结构2内部，复合隔热材料4填充于蜂窝芯子结构2内部上方，主要起到隔绝热量、吸收电磁波的功效，复合相变材料5由于使用温度较低，填充于蜂窝芯子结构2内部下方。复合相变材料5放在复合隔热材料4下面，主要利用相变材料具有高相变潜热、高热容的储能特点来吸收热量，同时其中的吸波材料石墨烯6作为导电材料提供电损耗，磁性粒子羟基铁7提供磁损耗，吸波材料石墨烯6和磁性粒子羟基铁7组成复合吸波材料，具有很好的阻抗匹配特性，并能提高有效吸波带宽，吸收中高频电磁波，提高隐身性能。
所述防热透波面板1主要起到防热、透波和低频吸波三重作用。
所述蜂窝芯子结构2主要起到承力和隔热双重作用。
所述绝热反射面板3主要起到绝热和反射电磁波的作用。
所述复合隔热材料4是事先压制定型的复合隔热材料，主要起到绝热和吸波双重作用。
所述复合相变材料5是事先压制定型的复合相变材料，主要起到吸热和吸波双重作用。
如图4所示，本实施例公开的一种可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，通过多功能耦合结构优化设计和图案化处理，在满足宽频隐身功能基础上兼顾防隔热、承载、轻量化需求得到最优图案布局，将蜂窝芯子结构2晶胞单元以填充和非填充的形式形成所述最优立体图案布局结构，具体实现方法如下：采用卷积神经网络，将每一层的切片信息作为数据集，构建卷积神经网络，对切片图像进行预处理，进行切片图像的识别与分类并对闭合多边形区域进行标记，通过参数共享机制能够显著减少网络参数与计算量，快速精准实现闭合多边形的识别与标记。对于已经标记完成的切片图像，将每一个多边形视为一个像素点，通过模拟退火算法求解切片填充路径，在填充路径规划过程中，遍历每一条路径，利用模拟退火算法的渐近收敛性避免局部最优解问题，能够提高填充路径规划鲁棒性，实现切片填充路径规划的全局最优。然后从初始点开始检测相邻位置是否是边界颜色，若不是就用填充色着色，并检测该像素点的相邻位置，直到检测完填充路径区域边界颜色范围内的所有像素为止，即实现蜂窝芯子结构2图案化自适应填充，得到所述最优立体图案布局结构。
本实施例公开的一种可编码图案化防隔热/承载/宽频电磁隐身多功能一体化结构的工作方法为：
在使用过程中，防热透波面板1吸收热流/高温并向环境辐射热量，热量通过防热透波面板1向下传递至蜂窝芯子结构2，此时蜂窝芯子结构2中填充的复合隔热材料4，起到绝热作用，防止过多的热负荷向下传递。当通过蜂窝芯子结构2传递额外的热量时，由于复合相变材料5的导热性和强储热能力，当达到相变温度时，相变材料从固态变为液态/气态，通过相变吸收大量热量，过量的热负荷被相变材料吸收，当相变材料吸收的热量达到饱和时，热量继续向下传递至绝热反射面板3，绝热反射面板3采用热沉材料吸收热量，使得底部面板保持在安全的温度范围之内。
在使用过程中，高超声速飞行器在稠密大气层中运动，空气受到强烈的压缩和剧烈的摩擦作用，高超声速飞行器表面气动加热剧烈，在产生热量的同时也产生了严重的压力，防热透波面板1受到严峻的载荷作用，此时销钉将防热透波面板1和蜂窝芯子结构2连接成整体，传递防热透波面板1和蜂窝芯子结构2之间的载荷；蜂窝芯子结构2支持防热透波面板1承受垂直于防热透波面板1的压缩应力，并能防止防热透波面板1发展轴压引起的屈曲，此时蜂窝芯子结构2承受压缩和剪切载荷。胶粘剂将绝热反射面板3和蜂窝芯子结构2胶接成整体，传递蜂窝芯子结构2和绝热反射面板3之间的载荷，使得多功能一体化结构具有足够的刚度、强度和稳定性。多功能一体化结构不会因过大的应力产生结构破坏和有害变形，在压缩载荷下不发生屈曲失稳，多功能一体化结构形变在可控范围之内，维持高超声速飞行器稳定的气动外形，保证飞行器的气动特性不发生改变。
在使用过程中，由于防热透波面板1具有优良的透波性和低频吸波性能，当电磁波向防热透波面板1传播时，低频电磁波被有效吸收，中高频电磁波穿过防热透波面板1向蜂窝芯子结构2传播，在此过程中电磁波的反射率极低，可显著减少电磁波的反射。回波减少，降低了雷达接收机所能够截获的电磁波的能量，使得雷达对目标的探测距离缩短，起到一定的隐身作用。当电磁波传播至蜂窝芯子结构2时，在蜂窝结构内部填充的复合隔热材料4和复合相变材料5，其中掺杂有大量的吸波材料石墨烯6与磁性粒子羟基铁7，磁性粒子羟基铁7提供磁损耗，吸波材料石墨烯6作为导电材料提供电损耗，二者形成复合吸波材料，具有很好的阻抗匹配特性，并能提高有效吸波带宽，吸收大量中高频电磁波，提高隐身性能。当电磁波透过蜂窝芯子结构2向下传播至绝热反射面板3时，此时剩余微量的电磁波受到反射，部分反射波与入射波干涉相消，减少了电磁波的反射，提高了宽频吸波能力，最终将传播的所有电磁波吸收在可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构中，实现隐身效果。
上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明。但是需要说明的是，本发明并不限于上述一种实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其做出种种变化，如可以将蜂窝芯子结构替换为格栅芯子结构，如图9、图10、图11和图12所示，或在蜂窝芯子结构中放置多层隔热材料/相变材料，或在蜂窝芯子结构中增加其他复合功能材料，或将单层夹芯结构替换为多层夹芯结构，或将芯子结构替换为承重结构的芯子杆或腹板等，只要该多功能一体化结构包含夹芯结构，且在其夹层中添加复合功能材料(复合隔热材料/复合相变材料/吸波材料等)，所做的任何修改、等同替换、改进等，都落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，其特征在于：包括防热透波面板、复合隔热材料、复合相变材料、芯子结构和绝热反射面板；将掺杂有吸波材料和磁性粒子的气凝胶与不同纤维复合，制备出复合气凝胶绝热纤维作为复合隔热材料，使其具有优异的综合性能，所述综合性能包括隔热性能、力学性能和宽频隐身性能；将掺杂有吸波材料和磁性粒子的相变材料吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料，利用相变材料具有的高相变潜热、高热容的储能特点来吸收热量，利用吸波材料和磁性粒子形成复合吸波材料，提高阻抗匹配效果和有效吸波带宽，通过多种损耗机制协同作用强烈衰减电磁波能量，吸收电磁波，提高隐身性能；通过多功能耦合结构优化设计和图案化处理，在满足宽频隐身功能基础上兼顾防隔热、承载、轻量化需求得到最优图案布局，将芯子结构晶胞单元以填充和非填充的形式形成所述最优立体图案布局结构，结合多层材料的组装成型工艺，实现可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，在耐高温、高强度、环境稳定性好优点的基础上，同时兼顾宽频吸波、隐身功能，实现高超声速飞行器结构的多功能一体化。
2.如权利要求1所述的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，其特征在于：所述防热透波面板主要起到防热、透波和低频吸波三重作用；采用防热性能、承载能力和透波性能良好，同时兼具低频吸波性能的材料面板。
3.如权利要求1所述的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，其特征在于：所述复合隔热材料是事先压制定型的复合隔热材料，主要起到绝热和吸波双重作用；即将掺杂有吸波材料和磁性粒子的气凝胶与不同纤维复合，制备出复合隔热材料，利用气凝胶具有极好的隔热性能和极低的密度，隔绝高温，同时由于气凝胶的多孔结构使其力学强度较低，通过与不同纤维复合，使其具有优异的综合性能；同时吸波材料和磁性粒子的混合使结构具有多种电磁损耗机制，通过多种方式耗散电磁波，提高隐身性能；
所述复合相变材料是事先压制定型的复合相变材料，主要起到吸热和吸波双重作用；即将掺杂有吸波材料和磁性粒子的相变材料吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料，利用相变材料具有的高相变潜热、高热容的储能特点来吸收热量；同时磁性粒子提供磁损耗，吸波材料作为导电材料提供电损耗，磁性粒子和吸波材料形成复合吸波材料，耗散电磁波，提高隐身性能。
4.如权利要求3所述的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，其特征在于：防热透波面板吸收热流/高温并向环境辐射热量，热量通过防热透波面板向蜂窝结构传递，当热量传递至芯子结构时，芯子结构中填充的复合隔热材料隔绝热量向下传递，起到热防护效果；
当通过芯子结构向下传递额外的热量时，芯子结构内部填充的复合相变材料吸热达到相变温度，从固态变为液态/气态，通过相变吸收大量热量，过量的热负荷被相变材料吸收，实现热防护。
5.如权利要求4所述的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，其特征在于：所述芯子结构主要起到承力和隔热双重作用；当采用蜂窝芯子结构时，蜂窝芯子形状主要采用正六边形，其制造简单，用料节省，强度也较高，具有质量轻、强度大、刚度大的特点；正六边形蜂窝结构具有重量轻、弯曲刚度及强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸音、隔热的优点，同时具有各向异性特征，通过多功能耦合结构优化设计和图案化处理，蜂窝结构中的六边形晶胞单元以填充和非填充的形式形成所述最优立体图案布局结构，在满足结构强度、隔热效果的基础上，图案化结构能够提高整个蜂窝结构吸波材料的表面特性阻抗，减少界面的全反射，极大提高有效吸波带宽，反射损耗峰值也有所增加；在实现轻质化的同时，还有益于隔音降噪。
6.如权利要求5所述的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，其特征在于：所述绝热反射面板主要起到绝热和反射电磁波的作用；主要采用绝热能力、反射电磁波能力良好的热沉材料面板；
为有效降低从防热透波面板传递至绝热反射面板的温度，吸收电磁波，提高承载性能，将复合隔热材料和复合相变材料依次填充于芯子结构内部，复合隔热材料填充于芯子结构内部上方，主要起到隔绝热量、吸收电磁波的功效，复合相变材料由于使用温度较低，填充于芯子结构内部下方；复合相变材料放在复合隔热材料下面，主要利用相变材料具有高相变潜热、高热容的储能特点来吸收热量，同时其中的复合吸波材料，耗散电磁波，提高隐身性能；
当复合相变材料吸收过量的热量时，热量通过芯子结构向下传递至绝热反射面板，绝热反射面板采用热沉材料，吸收热量，使面板温度保持恒定。
7.如权利要求6所述的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，其特征在于：基于防热透波面板具有优良的透波性和低频吸波性能，当电磁波向防热透波面板传播时，低频电磁波被有效吸收，中高频电磁波穿过防热透波面板向芯子结构传播，在此过程中电磁波的反射率极低，可显著减少电磁波的反射；回波减少，降低雷达接收机所能够截获的电磁波的能量，使得雷达对目标的探测距离缩短，起到隐身作用；
在芯子结构内部填充的复合隔热材料和复合相变材料，其中掺杂有大量的吸波材料和磁性粒子，磁性粒子提供磁损耗，吸波材料作为导电材料提供电损耗，吸波材料和磁性粒子形成复合吸波材料，具有很好的阻抗匹配效果以及宽频吸波能力；当电磁波透过防热透波面板向下传播时，复合吸波材料吸收中高频电磁波，提高隐身性能。
当电磁波透过蜂窝结构向下传播至绝热反射面板时，此时剩余微量的电磁波受到反射，部分反射波与入射波干涉相消，减少电磁波的反射，提高宽频吸波能力；最终将传播的所有电磁波吸收在可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构中，实现隐身效果。
8.如权利要求7所述的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，其特征在于：通过多功能耦合结构优化设计和图案化处理，在满足宽频隐身功能基础上兼顾防隔热、承载、轻量化需求得到最优图案布局，将芯子结构晶胞单元以填充和非填充的形式形成所述最优立体图案布局结构，具体实现方法如下：采用卷积神经网络，将每一层的切片信息作为数据集，构建卷积神经网络，对切片图像进行预处理，进行切片图像的识别与分类并对闭合多边形区域进行标记，通过参数共享机制能够显著减少网络参数与计算量，快速精准实现闭合多边形的识别与标记。对于已经标记完成的切片图像，将每一个多边形视为一个像素点，通过模拟退火算法求解切片填充路径，在填充路径规划过程中，遍历每一条路径，利用模拟退火算法的渐近收敛性避免局部最优解问题，能够提高填充路径规划鲁棒性，实现切片填充路径规划的全局最优。然后从初始点开始检测相邻位置是否是边界颜色，若不是就用填充色着色，并检测该像素点的相邻位置，直到检测完填充路径区域边界颜色范围内的所有像素为止，即实现芯子结构图案化自适应填充，得到所述最优立体图案布局结构，进而显著提升可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构的有效吸波带宽、承载能力、防隔热能力以及隐身能力，同时实现结构轻量化。
9.如权利要求8所述的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，其特征在于：防热透波面板和芯子结构的连接采用销钉组装，加工工艺简单，安装使用便捷，固定牢靠，力度适中，不会穿透芯子板材，高温高压下无变形，对材料和结构无损伤；销钉将防热透波面板和芯子结构连接成整体，传递防热透波面板和芯子结构之间的载荷；芯子结构支持防热透波面板承受垂直于防热透波面板的压缩应力，并能防止防热透波面板因轴压引起的屈曲，此时芯子结构承受压缩和剪切载荷；
芯子结构和绝热反射面板的连接采用最佳胶接工艺，胶粘剂将绝热反射面板和芯子结构胶接成整体，传递芯子结构和绝热反射面板之间的载荷；通过采用最佳胶接工艺，选择固化温度下流动性好，剪切强度和剥离强度符合要求的胶粘剂，在经过表面处理后，将芯子结构和绝热反射面板进行胶接，最后通过加压固化和后处理工艺，提高结构的抗变形性，同时减少其在胶接过程中的收缩变形；在高温高压下，芯子结构和绝热反射面板的胶接性能优良，胶接质量满足要求；
芯子结构和复合隔热材料、复合相变材料之间的连接采用硅基聚合物胶接工艺，选择具有优良的胶合强度、耐水性、耐热性、耐老化性能和固化速率的胶粘剂，通过分析聚合物和填料的种类，选择合适的胶粘剂，在经过胶接处理后，使芯子结构和复合隔热材料、复合相变材料之间无脱粘缺陷，各项指标大于设计要求值，满足指标要求，胶接质量良好。
10.如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构，其特征在于：
在工作过程中，防热透波面板吸收热流/高温并向环境辐射热量，热量通过防热透波面板向下传递至芯子结构，此时芯子结构中填充的复合隔热材料，起到绝热作用，防止过多的热负荷向下传递；当通过芯子结构传递额外的热量时，由于复合相变材料的导热性和强储热能力，当达到相变温度时，相变材料从固态变为液态/气态，通过相变吸收大量热量，过量的热负荷被相变材料吸收，当相变材料吸收的热量达到饱和时，热量继续向下传递至绝热反射面板，绝热反射面板采用热沉材料吸收热量，使得底部面板保持在安全的温度范围之内；
在工作过程中，高超声速飞行器在稠密大气层中运动，空气受到强烈的压缩和剧烈的摩擦作用，高超声速飞行器表面气动加热剧烈，在产生热量的同时也产生严重的压力，防热透波面板受到严峻的载荷作用，此时销钉将防热透波面板和芯子结构连接成整体，传递防热透波面板和芯子结构之间的载荷；芯子结构支持防热透波面板承受垂直于防热透波面板的压缩应力，并能防止防热透波面板发展轴压引起的屈曲，此时芯子结构承受压缩和剪切载荷；胶粘剂将绝热反射面板和芯子结构胶接成整体，传递芯子结构和绝热反射面板之间的载荷，使得多功能一体化结构具有足够的刚度、强度和稳定性；多功能一体化结构不会因过大的应力产生结构破坏和有害变形，在压缩载荷下不发生屈曲失稳，多功能一体化结构形变在可控范围之内，维持高超声速飞行器稳定的气动外形，保证飞行器的气动特性不发生改变；
在工作过程中，由于防热透波面板具有优良的透波性和低频吸波性能，当电磁波向防热透波面板传播时，低频电磁波被有效吸收，中高频电磁波穿过防热透波面板向蜂窝结构传播，在此过程中电磁波的反射率极低，能够显著减少电磁波的反射；回波减少，降低雷达接收机所能够截获的电磁波的能量，使得雷达对目标的探测距离缩短，起到隐身作用；当电磁波传播至芯子结构时，在芯子结构内部填充的复合隔热材料和复合相变材料，其中掺杂有大量的吸波材料与磁性粒子，磁性粒子提供磁损耗，吸波材料作为导电材料提供电损耗，二者形成复合吸波材料，具有很好的阻抗匹配特性，并能提高有效吸波带宽，吸收大量中高频电磁波，提高隐身性能；当电磁波透过芯子结构向下传播至绝热反射面板时，此时剩余微量的电磁波受到反射，部分反射波与入射波干涉相消，减少电磁波的反射，提高宽频吸波能力，最终将传播的所有电磁波吸收在可编码图案化防隔热/承载/宽频隐身多功能一体化结构中，实现隐身效果。
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