一种卫星承载与热管理一体化结构及制备方法与流程

1.本发明涉及卫星温度管理技术领域，尤其涉及一种卫星承载与热管理一体化结构及制备方法。


背景技术：

2.卫星面临严峻的热防护问题，在外太空工作的卫星受到较大的周期循环热辐射。为了保证卫星本身的寿命及内部器件的正常工作，需要采用热防护方法对卫星结构进行热管理。而随着电子元器件集成密度和功率的不断增大，所产生的热流密度也不断增大，所以卫星内部电子器件的散热及热管理问题极为重要。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种散热效果好，散热效率高，能防止卫星温差过大造成性能失效的卫星承载与热管理一体化结构及使用方法。
4.一种卫星承载与热管理一体化结构，其包括：
5.卫星保护层结构，所述卫星保护层结构包括外侧导热面和内侧导热面，且所述卫星保护层结构由金属层空心微点阵结构围合而成；
6.其中，所述金属层空心微点阵结构由空心细管按微点阵结构排列而成，且所述空心细管内设有相变材料。
7.在其中一个实施例中，所述空心细管为微米级或亚微厚度、微米级或毫米级直径，且所述空心细管的材质为金属、陶瓷、碳纳米管或石墨烯。
8.在其中一个实施例中，所述相变材料为无机物或有机物，所述无机物包括结晶水合盐、熔融盐、镓金属、金属合金；所述有机物包括石蜡、焌酸、酯、多元醇。
9.在其中一个实施例中，卫星保护层结构的形状为圆柱形、球形或方形。
10.一种卫星承载与热管理一体化结构的制备方法，其包括以下步骤：
11.s1、制备复合化学镀液；
12.s2、制备空心微点阵材料；
13.s3、对所述空心微点阵材料进行铜电镀，形成加铜的复合镀层空心微点阵；
14.s4、对所述复合镀层空心微点阵进行封口；
15.s5、将相变材料注入到所述复合镀层空心微点阵中，形成金属层空心微点阵结构。
16.在其中一个实施例中，所述步骤s1中，制备复合化学镀液包括：
17.s11、将直径为2μm的石墨烯纳米片放入到石墨烯容器的水溶液中；
18.s12、依次加入质量比为1:10:10的十二烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水；
19.s13、通过超声波分散法将石墨烯纳米片进行分散，形成分散的石墨烯溶液；
20.s14、将合金化学镀液与分散的石墨烯溶液混合搅拌，得到均匀的复合化学镀液。
21.在其中一个实施例中，所述步骤s2中，制备空心微点阵材料包括：
22.s21、使用计算机辅助设计技术，在计算机上设计微点阵结构；
23.s22、利用感光树脂的化学溶解性，采用立体光固化3d打印方法制作微点阵基体，并去除其表面的油污；
24.s23、在40℃下，用胶体钯溶液对所述微点阵基体表面进行活化，时间为10分钟；
25.s25、将所述微点阵基体置于浓度为50g/l的naoh溶液中，室温下暴露10s，将钯纳米颗粒显露出来，钯纳米颗粒能够作为催化剂进行化学还原反应；
26.s26、将所述微点阵基体浸入水中3分钟进行预热，水的温度与化学镀所需的温度相同；
27.s27、将预热后的所述微点阵基体放入所述复合化学镀液中化学镀90min，化学镀后清水冲洗；
28.s28、将清洗后的所述微点阵基体的部分外部节点进行打磨，暴露树脂基体，将打磨后的微点阵基体浸泡在由20g/l naoh和700ml/l乙醇组成的化学溶液中，在60℃水浴环境中，蚀刻所述微点阵基体的内部树脂基体24h，将树脂融化于蚀刻溶液中；
29.s29、用清水冲洗残余树脂，得到空心微点阵材料。
30.在其中一个实施例中，所述步骤s3中，对所述空心微点阵材料进行铜电镀，形成加铜的复合镀层空心微点阵包括：
31.s31、空心微点阵材料在室温下，在3
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5a电流下浸在电镀铜液中电镀10分钟；
32.s32、电镀后清水清洗，然后用防氧化液浸渍1分钟；
33.s33、经过清水冲洗后得到复合镀层空心微点阵。
34.在其中一个实施例中，所述步骤s4中，对所述复合镀层空心微点阵进行封口包括：
35.s41、使用ab铸工胶进行封口前，先将ab胶两种组分的胶以1:1的比例混合在一起；
36.s42、将复合镀层空心微点阵的缺口进行封闭；
37.s43、ab铸工胶固化的时间为常温下6小时。
38.在其中一个实施例中，所述步骤s5中，将相变材料注入到所述复合镀层空心微点阵中包括：
39.s51、将至少包括石蜡和镓两种的相变材料在60℃水浴环境下熔化，将复合镀层空心微点阵也放置于同样的温度环境下；
40.s52、使用针管吸入融化的相变材料；
41.s52、将所述相变材料注入不同尺寸的所述复合镀层空心微点阵中。
42.上述卫星承载与热管理一体化结构及其制备方法，通过金属层空心微点阵结构内部的相变材料吸热和放热的功能来形成热防护系统，使卫星的温度缓慢变化，使最高温和最低温差值缩小，从而能延长卫星的温度疲劳寿命；并且，通过金属层空心微点阵结构的高表面积，能增大相变材料的导热率，从而提高其传热性能，其散热效果好，散热效率高；同时，通过金属层空心微点阵结构特有的高比强度和高比刚度的性能，承载发射过程中和在轨运行时所受的力，并保持卫星的结构稳定。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附
图。
44.图1是本发明实施例一的卫星承载与热管理一体化结构的结构示意图；
45.图2是本发明的金属层空心微点阵结构的结构示意图；
46.图3是本发明的金属层空心微点阵结构的部分结构示意图；
47.图4是本发明实施例二的卫星承载与热管理一体化结构的结构示意图；
48.图5是本发明实施例三的卫星承载与热管理一体化结构的结构示意图；
49.图6是本发明实施例四的卫星承载与热管理一体化结构的结构示意图。
具体实施方式
50.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
51.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
52.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
53.参阅图1
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3所示，本发明一实施例提供一种卫星承载与热管理一体化结构，其包括卫星保护层结构2。
54.所述卫星保护层结构2包括外侧导热面1和内侧导热面3，且所述卫星保护层结构2由金属层空心微点阵结构4围合而成；其中，所述金属层空心微点阵结构4由空心细管42按微点阵结构排列而成，且所述空心细管42内设有相变材料41。相变材料41具有吸热、储热和放热等热管理功能。
55.需要说明的是，当卫星保护层结构2受到外界热辐射时，外侧导热面1通过空心细管42将热量传到相变材料41内进行吸收和存储热量。因此，其主要传热形式有：空心细管42的管壁热传导、空心细管42管壁之间的热辐射，相变材料41热传导，及可能存在的液体相变材料41自然对流换热现象。且由于卫星在轨运行时经常只用一个方向面对热辐射，容易造成热量堆积。通过金属层空心微点阵结构4的高导热率性能，将热量由温度高的区域传导向温度低的区域，减小整个卫星的温度梯度。
56.在一些情况下，当卫星保护层结构2由于内部产热较高，需要向外界散热时，由内侧导热面3吸热，通过空心细管42将热量传到相变材料41内进行吸收和存储热量，并通过金属层空心微点阵结构4的多种传热方式将热量耗散到太空中去。其主要传热形式有：空心细管42管壁热传导、空心细管42管壁之间的热辐射，金属层空心微点阵结构4与外界环境的热辐射，相变材料41热传导，及可能存在的液体相变材料41自然对流换热现象。
57.综上所述，本发明的卫星承载与热管理一体化结构及其制备方法，通过金属层空
心微点阵结构内部的相变材料吸热和放热的功能来形成热防护系统，使卫星的温度缓慢变化，使最高温和最低温差值缩小，从而能延长卫星的温度疲劳寿命；并且，通过金属层空心微点阵结构的高表面积，能增大相变材料的导热率，从而提高其传热性能，其散热效果好，散热效率高；同时，通过金属层空心微点阵结构特有的高比强度和高比刚度的性能，承载发射过程中和在轨运行时所受的力，并保持卫星的结构稳定。
58.在本发明一实施例中，所述空心细管为微米级或亚微厚度、微米级或毫米级直径，且所述空心细管的材质为金属、陶瓷、碳纳米管或石墨烯等。
59.可选地，所述相变材料41为无机物或有机物，所述无机物包括结晶水合盐、熔融盐、镓金属、金属合金等；所述有机物包括石蜡、焌酸、酯、多元醇等。
60.参阅图4
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6所示，在本发明的实施例二至四中，卫星保护层结构2的形状可以为圆柱形、球形或方形。
61.本发明一实施例提供一种卫星承载与热管理一体化结构的制备方法，其包括以下步骤：
62.s1、制备复合化学镀液；
63.s2、制备空心微点阵材料；
64.s3、对所述空心微点阵材料进行铜电镀，形成加铜的复合镀层空心微点阵；
65.s4、对所述复合镀层空心微点阵进行封口；
66.s5、将相变材料注入到所述复合镀层空心微点阵中，形成金属层空心微点阵结构。
67.具体地，本发明的所述步骤s1中，制备复合化学镀液包括：
68.s11、将直径为2μm的石墨烯纳米片放入到石墨烯容器的水溶液中；
69.s12、依次加入质量比为1:10:10的十二烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水；
70.s13、通过超声波分散法将石墨烯纳米片进行分散，形成分散的石墨烯溶液；
71.s14、将合金化学镀液与分散的石墨烯溶液混合搅拌，得到均匀的复合化学镀液。
72.在本发明一实施例中，所述步骤s2中，制备空心微点阵材料包括：
73.s21、使用计算机辅助设计技术，在计算机上设计微点阵结构；本实施例中，微点阵结构包括但不限于八面体单胞、金字塔形单胞结构等。
74.s22、利用感光树脂的化学溶解性，采用立体光固化3d打印方法制作微点阵基体，并去除其表面的油污；本实施例中，可以使用清洗剂溶液和超声波共同作用去除微点阵基体表面可能存在的油污。
75.s23、在40℃下，用胶体钯溶液对所述微点阵基体表面进行活化，时间为10分钟；
76.s25、将所述微点阵基体置于浓度为50g/l的naoh溶液中，室温下暴露10s，将钯纳米颗粒显露出来，钯纳米颗粒能够作为催化剂进行化学还原反应；
77.s26、将所述微点阵基体浸入水中3分钟进行预热，水的温度(如：90℃)与化学镀所需的温度相同；
78.s27、将预热后的所述微点阵基体放入所述复合化学镀液中化学镀90min，化学镀后清水冲洗；
79.s28、将清洗后的所述微点阵基体的部分外部节点进行打磨，暴露树脂基体，将打磨后的微点阵基体浸泡在由20g/l naoh和700ml/l乙醇组成的化学溶液中，在60℃水浴环境中，蚀刻所述微点阵基体的内部树脂基体24h，将树脂融化于蚀刻溶液中；
80.s29、用清水冲洗残余树脂，得到空心微点阵材料。
81.在本发明一实施例中，所述步骤s3中，对所述空心微点阵材料进行铜电镀，形成加铜的复合镀层空心微点阵包括：
82.s31、空心微点阵材料在室温下，在3
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5a电流下浸在电镀铜液中电镀10分钟；如此，可以提高空心微点阵材料的导热性能。具体地，阳极用导电金属线与磷铜板相连，阴极用金属线与金属空心点阵相连，被电镀的样本与阳极板间隔3
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5厘米左右，电镀时，对电镀材料进行拨动翻转，使电镀层均匀镀于空心微点阵材料上。
83.s32、电镀后清水清洗，然后用防氧化液浸渍1分钟；
84.s33、经过清水冲洗后得到复合镀层空心微点阵。在一些实施例中，还可以对空心微点阵材料进行二次化学镀操作。
85.在本发明一实施例中，所述步骤s4中，对所述复合镀层空心微点阵进行封口包括：
86.s41、使用ab铸工胶进行封口前，先将ab胶两种组分的胶以1:1的比例混合在一起；
87.s42、将复合镀层空心微点阵的缺口进行封闭；
88.s43、ab铸工胶固化的时间为常温下6小时。
89.在本发明一实施例中，所述步骤s5中，将相变材料注入到所述复合镀层空心微点阵中包括：
90.s51、将至少包括石蜡和镓两种的相变材料在60℃水浴环境下熔化，将复合镀层空心微点阵也放置于同样的温度环境下；
91.s52、使用针管吸入融化的相变材料；
92.s52、将所述相变材料注入不同尺寸的所述复合镀层空心微点阵中。
93.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
94.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。