一种金属点阵增强烧蚀材料夹层板结构的制作方法

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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
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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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是：为解决上述问题，本发明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。
6.本发明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；
7.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；
8.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；
9.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。
10.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。
11.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。
12.所述第一金属点阵芯子直接从上面板向外生长出来。
13.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。
14.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。
15.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。
16.所述第二金属点阵芯子中间填充的相变材料采用石蜡。
17.本发明与现有技术相比的优点在于：
18.(1)本发明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。
19.(2)本发明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。
20.(3)本发明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。
21.(4)本发明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
22.图1为本发明的金属点阵增强烧蚀夹层板结构整体示意图；
23.图2为本发明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；
24.图3为本发明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；
25.附图标记说明：
26.1：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
27.以下结合附图和具体实施例对本发明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，本发明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、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
28.参看图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。
29.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。
30.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。
31.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。
32.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％。
33.其中，结构功能模块2是由上面板5、中间的第二金属点阵芯子6和下面板7组成的夹层板，第二金属点阵芯子6的拓扑构型、胞元形式及尺寸可根据承载工况具体设计确定，本实施例中采用了双层金字塔胞元形式，胞元的杆径为1mm，面板的厚度为1mm，其三点弯曲破坏强度达到80kg。
34.夹层板通过在第二金属点阵芯子6中间填充隔热材料，例如sio2气凝胶、聚氨酯泡沫等，可有效降低夹层板内热辐射效应；通过在第二点阵芯子6中间填充相变材料，例如石蜡等材料，可有效阻隔通过第二金属点阵芯子6杆件的热传导效应，最终减缓由金属点阵热短路引起的局部高温。
35.由此可见，本发明成功解决了传统点阵夹层结构轻量化效果不显著、功能界面连接失效的问题，利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；同时利用点阵夹层板作为承力相提供更优越的力学性能，采用低密度烧蚀材料提供更高效的防热性能，进而有助于实现结构轻量化；利用外面板伸出更小尺度的点阵网络作为烧蚀材料的增强相，有效减缓烧蚀材料的质量烧蚀率。
36.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明专利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入本发明的保护范围之中。
37.本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。