高超声速飞行器热防护系统热沉式金属蜂窝盖板基础研究

通过对蜂窝中填充高温固-液相变材料的新型热沉式金属蜂窝盖板热/力耦合下的响应特性研究，以及对热沉式金属热防护系统的优化设计和试验考核，评价这种新型的防/隔热技术的效能，为高温相变材料应用在高超声速飞行器热防护系统中解决其热防护问题奠定理论和技术基础。通过Al-Si合金高温相变材料微封装技术研究，拟获得Al-Si/Al2O3复合材料制备条件对材料组织形态、相变材料含量、相变材料渗漏行为、相变材料的蓄热能力和热响应特性等影响规律，建立材料-工艺-组织-性能间的关系，优化并最终制备出综合性能良好的Al-Si/Al2O3复合材料；并对其在热循环过程中组织和热物理性能演变规律进行研究，为其可重复使用性提供理论依据，为高温相变材料在金属热防护系统、陶瓷隔热瓦以及隔热毡等热防护系统中的应用提供理论依据和技术经验,满足在非常有限的空间和重量约束条件下实现对飞行器内部设备的有效热防护。

本项目研究了高温相变材料Al-Si合金的微封装技术，蜂窝中填充高温固-液相变材料的新型热沉式金属蜂窝盖板热/力耦合下的响应特性研究，以及对热沉式金属热防护系统的优化设计等研究，为高温相变材料应用在高超声速飞行器热防护系统中解决其热防护问题奠定理论和技术基础。.基于溶胶—凝胶原理，分别采用直接包覆法、偶联剂改性溶胶法和偶联剂改性粉体法，在 Al-Si 合金粒子表面包覆 Al2O3壳层，形成了 Al-Si/Al2O3核壳结构。结果表明，直接包覆法制备的 Al-Si/Al2O3核壳结构壳层致密性较差，粒子之间有着严重的粘连，粒径不均匀；偶联剂改性溶胶—凝胶法制备出的 Al-Si/Al2O3核壳结构粒径相对均匀，粒子之间没有严重的粘连，但是其干燥阶段容易出现开裂；偶联剂改性粉体法制备出的 Al-Si/Al2O3核壳结构粒子具有壳层致密、粒径均匀、粒子之间不粘连等优点。 研究了制备工艺参数对偶联剂改性粉体法制备 Al-Si/Al2O3核壳结构粒子的影响。结果发现，经过偶联剂改性之后，Al-Si 合金表面形成一层致密的分子层，表面变光滑。在溶胶的固含量为仲丁醇铝与水的摩尔比为 1: 80 时，壳层较为完整。30℃条件下的干燥，可将由干燥造成的壳层开裂降到最低。700℃与 900℃烧结形成的壳层呈疏松多孔状态；1200℃烧结则形成致密光滑的壳层。XRD 分析表明，1200℃烧结后，壳层的 Al2O3完全转化为 α-Al2O3。SEM 分析证实，包覆后的 Al-Si 合金粒子呈明显的核壳结构，壳层为致密完整的单壳层，没有裂纹与孔洞出现，厚度约为 3μm。壳层的主要成分为 Al2O3，主要源于Al2O3溶胶对 Al-Si 核心的包裹。.热循环实验表明，所制备的Al-Si/Al2O3核壳结构材料具有良好的抗破坏能力。经历15次热循环之后，壳层依然未出现明显的开裂现象。同时DSC结果表明，热循环过程也没有对Al-Si/Al2O3核壳结构粒子的相变潜热造成较大的影响。以 Al-Si/Al2O3核壳结构粒子为相变材料引入隔热结构模拟结果显示，当其位于位置参数 d=0.4 时，具有最明显的“削峰填谷”隔热效果，模拟结果证实相变材料在隔热结构中的合理设计是有效地发挥相变材料作用的关键。