【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种c/c复合材料主动冷却系统的制备方法。
技术介绍
1、未来新型高速空天飞行器将向着更高马赫数、更长使役时间和重复使用等方向不断发展，这些极端苛刻的服役环境对飞行器关键防热构件耐温能力提出了巨大挑战。有研究表明，未来高速空天飞行器前缘等尖锐部位的温度有望超过5000℃，这远高于镍基高温合金、难熔金属及其合金、c/sic复合材料、抗氧化改性的c/sic和c/c复合材料、超高温陶瓷基复合材料及c/c复合材料等现有防热材料的耐温极限。
2、提高材料的耐温极限，需要从防热材料的防热机制入手。历经数十年的攻关研究，科研工作者们将防热材料分为被动式防热、主/被动结合式防热和主动式防热为主的三类防热方式。其中，被动式防热机制主要包括热沉式和辐射式两种，热沉式是一种利用材料较高的比热容来吸收大量的热量的防热机制，主要包含金属铜、难熔金属及其合金。但金属材料密度大且比热容有限，因此适用的气动热环境也是有限度的，难以满足未来发展需求。辐射式是一种利用材料自身较大的辐射系数并向外界快速辐射热量的一种防热方式，主要包括白色的氧化物陶瓷及其复合材料、c/sic复合材料、抗氧化改性的c/sic和c/c复合材料及超高温陶瓷基复合材料。氧化物陶瓷自身为白色且其熔点较高，所以能够在较高的环境下使用。c/sic复合材料、抗氧化改性的c/sic和c/c复合材料及超高温陶瓷基复合材料被氧化后，能够在表面形成一层粘性、黄白色的陶瓷氧化膜能够阻碍氧化性气氛对材料的进一步侵蚀并向外界辐射热量，所以能够在较高的使役温度下使用，如c/sic和超高温陶
3、主动防热方式是一种利用第二相冷却工质吸收气动热或将其推离材料表面的防热方式，该防热方式在理论上能够大幅提升材料的耐温能力，是近年来备受关注的重要方向之一。基于主动防热技术的金属材料结构研究较为广泛和深入，如颗粒烧结金属材料、金属层板材料和3d打印金属材料等。但金属材料具有较低的熔点，一旦局部温度超过熔点将导致冷却通道的堵塞并诱导构件失效。无机非金属基复合材料耐温能力卓越，是主动防热方式应该关注的重点材料之一。但针对无机非金属基复合材料主动冷却结构的研究较少，这是因为碳纤维和无机非金属基体组成的复合材料无法像金属材料一样通过颗粒烧结和增材制造等方式进行微结构的构筑，限制了该类材料主动冷却技术的应用。目前，针对无机非金属基复合材料主动冷却结构的制备主要是控制基体前驱体浸渍效率、人为制造开孔，如控制前驱体浸渍裂解工艺的多孔c/sic复合材料和多孔c/c复合材料。但未高度致密化的复合材料其力学性能较弱、冷却通道的尺寸和分布无法精确设计与控制，这导致了主动冷却结构可靠性差、主动冷却效率低。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有无机非金属基复合材料耐温极限无法满足飞行器未来需求这一重大技术背景，致力于解决无机非金属基主动冷却结构可靠性和冷却效率较低等问题，而提供一种通过c/c复合材料高效致密化、电火花数字脉冲放电原位构筑微结构、液相或气相冷却工质按需供给，实现了基于强迫发汗技术c/c复合材料主动冷却系统的开发。
2、本专利技术基于强迫发汗技术的c/c复合材料主动冷却系统的制备方法按照以下步骤实现：
3、一、采用致密化工艺使c/c复合材料高度致密化，致密化c/c复合材料的孔隙率为4～7vol.％；
4、二、将致密化c/c复合材料固定于电火花高速穿孔机的工作台上；
5、三、在电火花高速穿孔机上装配电极管和导向器，电极管穿过导向器，控制电极管上下垂直运动，利用脉冲电源放电产生的高能量在致密化c/c复合材料上加工出微通道，微通道的孔径为150～350μm；
6、四、控制工作台移动改变穿孔位置，电极管上下垂直运动穿孔，在致密化c/c复合材料上加工出微通道阵列，得到c/c复合材料主动冷却工件；
7、五、将c/c复合材料主动冷却工件与金属主动冷却模具进行装配，得到c/c复合材料主动冷却组件；
8、六、通过泵送装置将冷却工质填充到c/c复合材料主动冷却组件中，得到c/c复合材料主动冷却系统。
9、强迫发汗技术是利用驱动机构使液相或气相冷却工质从复合材料内部受控溢出，将高温来流推离材料表面并通过相变等方式吸收大量热量，使材料表面保持较低温度，从而实现大幅降低烧蚀率的一种先进防热技术。本专利技术以c/c复合材料为载体，通过高效致密化保障复合材料的力学强度，进一步利用电火花高速穿孔机数字化脉冲放电的方式原位按需构筑微通道，与耐高温模具组合成主动冷却结构，同时控制液相或气相冷却工质的供给，实现了c/c复合材料主动冷却系统的开发。
10、本专利技术基于强迫发汗技术的c/c复合材料主动冷却系统包括以下有益效果：
11、1、本专利技术中采用了c/c复合材料作为无机非金属基复合材料主动冷却结构的载体，该c/c复合材料是一种先进的超高温防热材料，具有优异的耐烧蚀能力，使役过程不会发生冷却微通道弥合等重大技术风险。
12、2、本专利技术中采用了先致密化再构筑冷却微通道的方式，这与传统的控制浸渍过程方式完全不同，能够在保障材料力学性能的同时，对微结构的尺寸和分布进行量化设计与按需构筑，进而显著提升防热效率。
13、3、本专利技术拓宽了冷却工质的种类，涵盖但不限于液态水、乙醇、液体火箭推进剂、液氮、高纯氮、高纯氦和高纯氩等液相或气相材料，丰富了无机非金属基复合材料主动冷却系统的应用场景。
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1.基于强迫发汗技术的C/C复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于该制备方法按照以下步骤实现：
2.根据权利要求1所述的基于强迫发汗技术的C/C复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于步骤一中采用超高压浸渍碳化工艺使C/C复合材料高度致密化的过程如下：
3.根据权利要求2所述的基于强迫发汗技术的C/C复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于步骤a中所述的碳源前驱体为酚醛树脂、糠酮树脂或者聚芳基乙炔树脂。
4.根据权利要求1所述的基于强迫发汗技术的C/C复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于步骤三中微通道的孔径为200～300μm。
5.根据权利要求1所述的基于强迫发汗技术的C/C复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于步骤三中电极管的直径为0.1～0.4mm，电极管的长度为20～50cm。
6.根据权利要求1所述的基于强迫发汗技术的C/C复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于步骤五中金属主动冷却模具包括外模具(2)、宝塔螺栓(3)、内模具(4)和垫圈(5)，外模具(2)为圆筒形，外模具(2)的一端开有通
7.根据权利要求6所述的基于强迫发汗技术的C/C复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于C/C复合材料主动冷却工件(1)呈圆台形或圆柱形，圆台状的底部带有圆环凸缘。
8.根据权利要求7所述的基于强迫发汗技术的C/C复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于C/C复合材料主动冷却工件(1)的厚度为10～20mm。
9.根据权利要求1所述的基于强迫发汗技术的C/C复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于步骤六中所述的泵送装置为蠕动泵或者高压气瓶。
10.根据权利要求1所述的基于强迫发汗技术的C/C复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于步骤六中所述的冷却工质为水、乙醇、液体火箭推进剂、液氮、高纯氮、高纯氦或者高纯氩。
...【技术特征摘要】
1.基于强迫发汗技术的c/c复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于该制备方法按照以下步骤实现：
2.根据权利要求1所述的基于强迫发汗技术的c/c复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于步骤一中采用超高压浸渍碳化工艺使c/c复合材料高度致密化的过程如下：
3.根据权利要求2所述的基于强迫发汗技术的c/c复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于步骤a中所述的碳源前驱体为酚醛树脂、糠酮树脂或者聚芳基乙炔树脂。
4.根据权利要求1所述的基于强迫发汗技术的c/c复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于步骤三中微通道的孔径为200～300μm。
5.根据权利要求1所述的基于强迫发汗技术的c/c复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于步骤三中电极管的直径为0.1～0.4mm，电极管的长度为20～50cm。
6.根据权利要求1所述的基于强迫发汗技术的c/c复合材料主动冷却系统的制备方法，其特征在于步骤五中金属主动冷却模具包括外模具(2)、宝塔螺栓(3)、内模具(4)和...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡平，张幸红，冯家鑫，董顺，程源，耿欣辉，王义铭，夏天洋，杜善义，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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