应用于固液发动机药柱的内嵌金属特征结构及其制备方法

1.本发明涉及固液发动机药柱的架构领域，具体涉及应用于固液发动机药柱的内嵌金属特征结构及其制备方法。


背景技术：

2.由于固液混合火箭发动机的燃料与氧化剂分开储存，氧化剂与燃料的反应发生在远离燃面的边界层中，致使向燃面的热反馈减少，导致固液发动机燃料燃速低。使用多孔形、星形或车轮型药柱增大燃面被认为是提升燃速的一种有效方式，但此方式会使药柱结构完整性下降，力学性能降低。
3.1999年到2002年，美国hpdp项目在美国航天局stennis航天中心使用两种不同的250千磅级全尺度固液发动机共进行了3次实验，发动机使用多端口药柱，是迄今为止世界上成功完成地面实验尺寸最大的固液火箭发动机，但两种发动机均产生了大幅度的压力振荡，且大多数压力峰值接近理论最大工作压力，有的超过了这个值，因此仍存在较大的改进空间。
4.极小曲面定义为平均曲率为零的曲面，由于其优异的力学性能因而在航空航天、石油化工、机械等方面有着广泛的应用前景。极小曲面的物理概念最早起源于19世纪比利时数学家joseph plateau进行的“肥皂泡”实验，即将一根金属丝弯成封闭的曲线框架，浸入肥皂水后取出，框架中自然形成的肥皂泡即为该封闭曲线对应的极小曲面。由该实验可以看出，不同于人为设计的其他多孔结构，极小曲面是自然力分布的直接结果，其势能最小，结构稳定，载荷均匀，不易发生应力集中，最早在建筑领域有着很广泛的应用。
5.gyroid，diamond，schwarz p是最重要、最普遍存在的三种极小曲面，其中，gyroid（螺旋二十四面体）是自然界结构自由能最小化的代表性范本，最早在1967年由luzzati等人发现，于1970年由alan schoen确定为周期最小曲面结构，可由式 描述，式中，l
x
, ly, lz为单位gyroid极小曲面结构在x, y, z三个方向上的长度。这种曲面内不含直线，也不存在平面对称性，属于体心立方结构。
6.由于极小曲面具有上述特点，可以考虑将其应用到固液发动机药柱领域。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明提供了应用于固液发动机药柱的内嵌金属特征结构及其制备方法。
8.在本发明的第一个方面，本发明提供了应用于固液发动机的内嵌金属特征结构，所述内嵌金属特征结构为gyroid晶格结构，gyroid晶格结构由多个单位gyroid极小曲面结构在三维空间内无缝隙阵列并相互连接组成单位gyroid极小曲面结构。
9.进一步地，所述内嵌金属特征结构为中空同轴圆柱筒体结构，嵌入固液发动机药
柱中。
10.进一步地，构成所述内嵌金属特征结构的gyroid晶格结构的厚度为0.05mm~0.1mm。
11.在本发明的第二个方面，本发明还提供了一种上述应用于固液发动机的内嵌金属特征结构的制备方法，包括如下步骤：s1.根据gyroid曲面结构的隐式表达式 在三维空间内绘制得到单位gyroid极小曲面结构，其中，l
x
, ly, lz为单位gyroid极小曲面结构在x, y, z三个方向上的长度；s2.将单位gyroid极小曲面结构沿三维进行阵列至设定尺寸，得到gyroid晶格结构；s3. 对获得的gyroid晶格结构进行加厚，获得片层状gyroid晶格结构；s4.根据固液发动机药柱的尺寸建立模型，与得到的片层状gyroid晶格结构相交，得到与药柱外形一致的gyroid晶格结构；s5.3d打印与内嵌金属特征结构模型一致的gyroid晶格结构，得到具有gyroid晶格结构的内嵌金属特征结构。
12.进一步地，步骤s4得到的gyroid晶格结构，其轮廓结构、尺寸均与固液发动机药柱的轮廓结构、尺寸相同。
13.进一步地，所述制备方法还包括，内嵌金属特征结构的填充密度设定方法：通过改变s2步骤中给定体积内的单位gyroid极小曲面结构的数量从而调整gyroid晶格结构的填充密度。
14.进一步地，所述内嵌金属特征结构采用金属粉末，由增材制造技术一体成型。
15.进一步地，所述内嵌金属特征结构采用铝、镁、或铝镁合金中的任意一种金属粉末，由增材制造技术一体成型。
16.进一步地，在步骤s5得到的具有gyroid晶格结构的内嵌金属特征结构中，在gyroid晶格结构的孔隙中填充和内嵌金属特征结构材质不同的固体燃料。
17.本发明和现有技术相比具有如下有益效果：1.本发明提供的内嵌金属特征结构，其整体为gyroid晶格结构，由于单位gyroid极小曲面结构具有平均曲率为零，曲面过渡平滑的特点，可有效避免在节点等处应力集中现象，应用于固液发动机药柱能够在固液火箭工作时有效地吸收发动机振动载荷，提升内嵌金属特征结构整体的杨氏模量与屈服强度。
18.2.本发明提供的内嵌金属特征结构还具有繁多单位gyroid极小曲面结构上面的孔隙，可以选择性填充和内嵌金属特征结构材质不同的材料，填充的材料和内嵌金属特征结构具有分布和混合均匀的特点、且gyroid曲面结构具有较大的表面积-体积比，有提高导热性的优点，可以广泛应用于航天航空领域，如固液发动机药柱等方向。
19.3.本发明还提供了内嵌金属特征结构的制备方法，通过单位gyroid极小曲面结构，阵列获得gyroid晶格结构，通过改变给定体积内单位gyroid极小曲面结构的数量来改变填充密度，提高了gyroid晶格结构的制备效率，而且给出的内嵌金属特征结构的制备方
法是简易、可行的。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
21.图1为本发明实施例中gyroid极小曲面结构的示意图；图2为本发明实施例中gyroid晶格结构的示意图；图3为本发明实施例中一种内嵌金属特征结构制备方法的流程图；图4为本发明实施例1提供的内嵌金属特征结构的3/4剖视图；图5（a）为本发明实施例1提供的内嵌金属特征结构的实物图；图5（b）为本发明实施例1提供的未嵌入内嵌金属特征结构的固体燃料的实物图；图5（c）为本发明实施例1提供的内嵌金属特征结构填充固体燃料后的实物图；图6为本发明实施例1提供的填充内嵌金属特征结构的htpb药柱与普通htpb药柱压缩实验得到的工程应力-应变曲线；图7为本发明实施例1提供的填充内嵌金属特征结构的htpb基药柱与普通htpb基药柱燃面退移速率测试结果对比图；图中标号：1、填充固体燃料的孔隙；2、金属gyroid晶格结构；3、氧化剂通道。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.如图1-2所示，本发明提供一种内嵌金属特征结构，所述内嵌金属特征结构为gyroid晶格结构，gyroid晶格结构由多个单位gyroid极小曲面结构在三维空间内无缝隙阵列并相互连接组成。
24.本发明根据单位gyroid极小曲面结构的极小曲面结构的特性，提供了一种由gyroid晶格结构组成的内嵌金属特征结构，即为一体式金属螺旋二十四面体（gyroid）结构，为独立的金属燃料。由于gyroid极小曲面结构具有平均曲率为零，不易发生应力集中，力学性能好的特点，使得内嵌金属特征结构整体具有疲劳寿命长，拓扑结构复杂的优点，制备得到的gyroid晶格结构，拓扑结构复杂，应用于固液发动机药柱能够在固液火箭工作时有效地吸收发动机振动载荷，提升药柱的杨氏模量和屈服强度。
25.在一个可能的实施例中，所述内嵌金属特征结构为中空同轴圆柱筒体结构，嵌入固液发动机药柱。
26.本发明的另一个方面，还提供了一种内嵌金属特征结构的制备方法，如图3所示，包括如下步骤：s1.根据gyroid曲面结构的隐式表达式
在三维空间内绘制得到单位gyroid极小曲面结构，其中，l
x
, ly, lz为单位gyroid极小曲面结构在x, y, z三个方向上的长度，如图1所示。
27.s2.将单位gyroid极小曲面结构沿三维进行阵列至设定尺寸，得到gyroid晶格结构，如图2所示。
28.本发明中所使用的单位gyroid极小曲面结构属于三周期极小曲面结构（triply periodic minimal surface structures，tpms），其具有各向同性，即在x, y, z方向具有周期性，可沿三个方向无限扩展，因此可通过沿三个方向周期性复制来建立，沿某一方向复制阵列一个单位gyroid极小曲面结构时，令排布间距等于单位gyroid曲面的边长尺寸，则得到的复制单位gyroid极小曲面结构的始端与原单位gyroid极小曲面末端可无缝隙连接。
29.s3. 对获得的gyroid晶格结构进行加厚，获得片层状gyroid晶格结构。
30.对gyroid晶格结构加厚时，结合当前较为成熟的3d打印技术水平，晶格结构厚度为0.05mm~0.1mm。
31.s4.根据药柱尺寸建立模型，与片层状gyroid晶格结构相交，得到与药柱外形尺寸一致的gyroid晶格结构。
32.本实施例中，步骤s4得到的gyroid晶格结构，其轮廓结构、尺寸均和固液发动机药柱的轮廓结构、尺寸相同。
33.s5.3d打印与内嵌金属特征结构模型一致的gyroid晶格结构，得到具有gyroid晶格结构的内嵌金属特征结构。
34.本方法中，所述内嵌金属特征结构采用金属粉末，由增材制造技术一体成型；进一步地，所述内嵌金属特征结构采用铝、镁、或铝镁合金中的任意一种金属粉末，由增材制造技术一体成型。
35.本发明中的内嵌特征结构使用的gyroid曲面结构为金属材质，由于金属本身具有良好的导热性，且gyroid曲面结构具有较大的表面积-体积比，孔隙连通性好，可作为散热结构，用于本发明中一方面可以提升药柱的力学性能；另一方面则可增强燃烧热向药柱内部的传导，促进靠近gyroid曲面处固体燃料的热解，变相增大燃面，从而提高燃速。
36.在步骤s5得到的具有gyroid晶格结构的内嵌金属特征结构中，可以在gyroid晶格结构的孔隙中填充和内嵌金属特征结构材质不同的固体燃料。
37.使用传统的减材加工或等材加工方式加工内部拓扑结构复杂且多孔的gyroid晶格结构几乎不可能，而本发明中所使用的增材制造方式则克服了这一困难。且一般的晶格结构会存在一些水平的杆状结构，这些水平杆状结构缺乏支撑和散热，因此打印过程中熔池会因为热积累而过大，熔滴下沉到下方粉末中，造成局部变形，导致打印失败，极小曲面晶格结构表面是由曲面组成的，曲面逐渐延伸到每一层，相邻两层之间的悬垂面积很小，可避免这一问题。
38.实施例1在本实施例中，固液发动机药柱尺寸：长度为100mm，外径为60mm，内径为20mm。
39.s1.绘制得到边长为20mm的单位gyroid极小曲面结构。
40.s2.给定100mm
×
100mm
×
100mm大小的正方体，每条边长方向上等距阵列并连接5
个单位gyroid极小曲面结构，阵列间隔等于单位gyroid极小曲面结构边长，从而使得到的gyroid结构能够无缝隙相互连接，生成如图2所示的正方体gyroid晶格结构。
41.s3. 对获得的gyroid晶格结构进行加厚，厚度为0.1mm，获得片层状gyroid晶格结构。
42.s4.以正方体的中心点为中心，建立直径为60mm，高为100mm，中孔直径为20mm的中空同轴圆柱筒体即药柱模型，与步骤s3得到的片层状gyroid晶格结构相交部分即为药柱中的架构，则得到和药柱内外轮廓、尺寸相同的具有gyroid晶格结构的内腔金属特征结构，如图4所示。
43.s5.可以采用铝、镁、或铝镁合金等发动机药柱常采用的金属粉末中的任意一种，3d打印与药柱模型一致的gyroid晶格结构，得到药柱的架构，具有gyroid晶格结构的内嵌金属特征结构，如图4和5所示。
44.本实施例中，使用金属铝粉末通过3d打印方式一体成型，由于金属材料良好的导热性，所以得到的药柱架构，可实现药柱沿程均匀导热，有利于燃速在药柱轴向均匀提升。
45.在得到具有gyroid晶格结构的内嵌金属特征结构中，在gyroid晶格结构的孔隙中填充固体燃料，固体燃料为htpb、hdpe或pmma中任意一种固液发动机燃料，制备得到固液发动机的药柱。
46.由于固液混合火箭发动机的燃料与氧化剂分开储存，氧化剂与燃料的反应发生在远离燃面的边界层中，致使向燃面的热反馈减少，导致固液发动机燃料燃速低。使用多孔形、星形或车轮型药柱增大燃面被认为是提升燃速的一种有效方式，但此方式会使药柱结构完整性下降，力学性能降低。
47.本实施例提出的一种应用于固液发动机药柱的内嵌金属特征结构，在固体燃料中嵌入gyroid金属特征结构，由于gyroid极小曲面结构具有平均曲率为零，不易发生应力集中，力学性能好的特点，制备得到的gyroid晶格结构，拓扑结构复杂，能够在固液火箭工作时有效地吸收发动机振动载荷，提升药柱的杨氏模量和屈服强度。单位gyroid曲面多孔状结构可使固体燃料与金属特征结构紧密结合，避免因二者不相容导致固体燃料脱落，而且金属燃料与固体燃料燃速的不同可在燃面处形成金属突起结构，增强氧化剂的湍流燃烧强度。同时金属良好的导热性可有效加强药柱由燃面向内部的导热，促进贴附于特征结构处固体燃料的热分解，使火焰深入至药柱内部进而增大燃面，进一步提升药柱整体燃速。本发明既可提升药柱的力学性能，又可提升药柱的整体燃速。
48.本实施例对嵌入了金属特征结构的htpb基药柱和普通htpb基药柱进行了压缩实验与燃烧实验，所得工程应力-应变曲线如图6所示，在弹性变形范围内计算两种药柱的杨氏模量，得嵌入金属特征结构的htpb基药柱杨氏模量为27.2mpa，普通htpb基药柱杨氏模量为2.1mpa，提升11.95倍，即金属特征结构实现了固体药柱力学性能的大幅提升；所得退移速率数据如图7所示，得填充内嵌金属特征结构的htpb药柱比普通htpb药柱退移速率提升了20.3%。
49.以上实施例仅为本技术的示例性实施例，不用于限制本技术，本技术的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本技术的实质和保护范围内，对本技术做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本技术的保护范围内。