一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。接失效的风险。接失效的风险。

【技术实现步骤摘要】
一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是：为解决上述问题，本专利技术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。
[0006]本专利技术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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]所述第一金属点阵芯子直接从上面板向外生长出来。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]所述第二金属点阵芯子中间填充的相变材料采用石蜡。
[0017]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0018](1)本专利技术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。
[0019](2)本专利技术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。
[0020](3)本专利技术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。
[0021](4)本专利技术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
[0022]图1为本专利技术的金属点阵增强烧蚀夹层板结构整体示意图；
[0023]图2为本专利技术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；
[0024]图3为本专利技术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；
[0025]附图标记说明：
[0026]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
[0027]以下结合附图和具体实施例对本专利技术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，本专利技术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、清晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]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。
[0031]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。
[0032]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％。
[0033]其中，结构功本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡励，林仁邦，冀宾，闫世宇，黄强，陈鸣亮，张醒，
申请(专利权)人：上海宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：