基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置及制备方法

本发明涉及飞行器热防护，具体为基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置及制备方法。

背景技术：

1、在航空航天领域，飞行器在高速飞行过程中剧烈的气动加热、燃烧室燃料燃烧以及超高声速条件下产生的激波效应，使得关键部件承受高达3000k以上的高温，造成壁面的烧蚀，热防护系统失效。发汗冷却技术作为针对高热流密度加热壁面的主动热防护方法，理论上的冷却能力可达1.4×109w/m2，因此被认为是有潜力的冷却技术。相对于单相发汗冷却，相变发汗冷却虽然具有良好的对流换热能力和相变时的潜热，但多孔介质内部的换热规律复杂，相变时气液两相流动不稳定，液相倾向于流向后端，而气相则充满前端，导致出现蒸汽堵塞效应，除此之外，两相区的存在使多孔介质内温度难以达到稳定，即温度振荡现象，为此，我们提出基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置及制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置及制备方法，可以减小高热流处的流动阻力，形成优势通道，使足够多的冷却剂流向此处，抑制冷却剂的横向流动。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置，包括固定架，所述固定架上从左至右依次固定连接有多孔介质区一、多孔介质区二及多孔介质区三，所述多孔介质区一、多孔介质区二及多孔介质区三水平方向孔隙率依次降低；

3、所述多孔介质区一、多孔介质区二及多孔介质区三的下方设置有储液腔，储液腔位于三个多孔介质区的下方，且储液腔与三个多孔介质区之间均相互贯通。

4、进一步的，每个所述多孔介质区均设置有三个子模块，子模块的外部形态为叶脉状通道，且三个子模块孔隙率由上往下逐渐增大。

5、进一步的，所述子模块的内部设置为蜂窝状结构。

6、进一步的，所述蜂窝状结构的内部空隙设置为微米级，其枝晶设置为纳米级。

7、进一步的，所述多孔介质区一、多孔介质区二及多孔介质区三的厚度相等，面积相等，当高温主流流过时，多孔介质区一、多孔介质区二及多孔介质区三的热流密度依次降低。

8、进一步的，所述储液腔内储存有冷却剂，且冷却剂的注入率m为0.5g/s。

9、进一步的，所述多孔介质区颗粒构成的孔隙截面为蜂窝状结构，叶脉通道(6)与蜂窝状结构之间相连，多孔介质颗粒直径dp范围在150-200μm，叶脉通道(6)直径范围在60-100μm。

10、进一步的，所述每个所述多孔介质区在法向方向上均孔隙率ε均存在梯级分布，多维的梯级孔隙率ε满足如下关系：ε1-ⅰ＝ε2-ⅱ＝ε3-ⅲ＝0.45；ε1-ⅱ＝ε2-ⅲ＝0.60；ε2-ⅰ＝ε3-ⅱ＝0.30；ε1-ⅲ＝0.75；ε3-ⅰ＝0.15。

11、进一步的，所述多孔介质区一、二、三上部沿水平方向均匀布设有7个热电偶。

12、根据本发明的一个方面，本发明提供基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置的制备方法，具体步骤如下：

13、s1:将陶瓷基石英纤维粉末(纯度99.9％)和质量分数为1wt％的聚丙烯酸按(apa)分散剂用去离子水配备成体积分数为45vol％的固体悬浊液，使用1wt％聚乙烯亚胺(pei)作为假塑性墨水配方的增稠剂，添加到悬浊液中；

14、s2:选用光固化策略，光源为紫外光，乙二醇、聚乙二醇二丙烯酸酯按照质量分数为1：1混合均匀，作为光固化粘合剂；

15、s3:在光固化粘合剂中加入20％的二氧化硅粉体制成石英纤维浆料，利用直写式3d打印机固化成型,打印喷嘴直径为0.5mm，打印速度为2mm/s；

16、s4:打印完成后采用冷冻干燥方法在-2℃下干燥12h使多孔介质子模块内部形成蜂窝状孔隙。

17、本发明至少具备以下有益效果：

18、1.本发明具有多维梯度仿生结构，在水平方向上设置高、中、低孔隙率的梯度多孔介质区，在前端高孔隙率处可以减小流动阻力，形成优势通道，使更多的冷却剂首先输送到高热流处，缓解气堵，减小横向流动。

19、2、本发明在法向方向上设置梯度孔隙率的多孔介质子模块，在孔隙较小的位置处提供毛细抽吸力，在孔隙较大的位置处减小流动阻力，精确控制，通过少量的冷却剂用量带走多孔介质表面大量的热量，节约冷却剂。

20、3、本发明采用直写式3d打印技术，设计制造精细化复杂孔隙的叶脉状的通道和蜂窝状内部结构多孔介质，具有微米级和纳米级耦合的尺度，通过流动和毛细作用博弈，按照需求定向输送冷却剂。

21、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

技术特征：

1.基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置，包括固定架(5)，其特征在于，所述固定架(5)上从左至右依次固定连接有多孔介质区一(1)、多孔介质区二(2)及多孔介质区三(3)，所述多孔介质区一(1)、多孔介质区二(2)及多孔介质区三(3)水平方向孔隙率依次降低；

2.根据权利要求1所述的基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置，其特征在于：每个所述多孔介质区均设置有三个子模块，子模块的外部形态为叶脉状通道，且三个子模块孔隙率由上往下逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置，其特征在于：所述子模块的内部设置为蜂窝状结构。

4.根据权利要求3所述的基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置，其特征在于：所述蜂窝状结构的内部空隙设置为微米级，其枝晶设置为纳米级。

5.根据权利要求4所述的基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置，其特征在于：所述多孔介质区一(1)、多孔介质区二(2)及多孔介质区三(3)的厚度相等，面积相等，当高温主流流过时，多孔介质区一(1)、多孔介质区二(2)及多孔介质区三(3)的热流密度依次降低。

6.根据权利要求5所述的基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置，其特征在于：所述储液腔(4)内储存有冷却剂，且冷却剂的注入率m为0.5g/s。

7.根据权利要求4所述的基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置，其特征在于：所述多孔介质区颗粒构成的孔隙截面为蜂窝状结构，叶脉通道(6)与蜂窝状结构之间相连，多孔介质颗粒直径dp范围在150-200μm，叶脉通道(6)直径范围在60-100μm。

8.根据权利要求7所述的基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置，其特征在于：每个所述多孔介质区在法向方向上均孔隙率ε均存在梯级分布，多维的梯级孔隙率ε满足如下关系：ε1-ⅰ＝ε2-ⅱ＝ε3-ⅲ＝0.45；ε1-ⅱ＝ε2-ⅲ＝0.60；ε2-ⅰ＝ε3-ⅱ＝0.30；ε1-ⅲ＝0.75；ε3-ⅰ＝0.15。

9.根据权利要求8所述的基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置，其特征在于：所述多孔介质区一、二、三上部沿水平方向均匀布设有7个热电偶。

10.基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

技术总结本发明公开了基于纤维多孔陶瓷的发汗冷却热防护装置及制备方法，涉及飞行器热防护技术领域，本发明包括固定架，所述固定架上从左至右依次固定连接有多孔介质区一、多孔介质区二及多孔介质区三，所述多孔介质区一、多孔介质区二及多孔介质区三水平方向孔隙率依次降低。本发明具有多维梯度仿生结构，在水平方向上设置高、中、低孔隙率的梯度多孔介质区，在前端高孔隙率处可以减小流动阻力，形成优势通道，使更多的冷却剂首先输送到高热流处，缓解气堵，减小横向流动，且在法向方向上设置梯度孔隙率的多孔介质子模块，在孔隙较小的位置处提供毛细抽吸力，在孔隙较大的位置处减小流动阻力，精确控制，通过少量的冷却剂用量带走多孔介质表面大量的热量。技术研发人员：施娟,葛家楠,陈振乾,孙立受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/26