熱控相變材料熔滲納米多孔陶瓷的研究.pdf

1、新型航天飛行器在大氣層中長航時且以大于6Ma的速度飛行時,遭遇到的氣動加熱環(huán)境極其嚴重,其表面累計氣動加熱溫度超過800℃。因此,開展高效隔熱以及可熱控的復(fù)合材料研究和設(shè)計具有重要的意義。本文首次將相變材料應(yīng)用到飛行器內(nèi)部防熱系統(tǒng)上,通過利用納米多孔陶瓷的三維骨架支撐作用,使相變材料比較均勻且充分地分布在多孔陶瓷網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之中,開展了熱控相變材料熔滲納米多孔陶瓷的研究。研究表明:多孔陶瓷骨架將75～85wt％的相變材料分成無數(shù)個納米級蓄熱

2、小單元,當(dāng)溫度超過相變材料的熔點時,相變材料熔化而吸收熱量,延緩了熱量的傳遞,控制了溫度的急劇上升,且因陶瓷骨架納米孔的毛細管力作用,不會使相變材料熔體流出,保持了復(fù)合材料的定型結(jié)構(gòu)。論文主要從以下幾個方面開展研究工作:
　　 (1)通過相變材料熔體浸滲多孔陶瓷的力學(xué)推導(dǎo)以及計算流體力學(xué)軟件(CFD/Fluent)的傳熱模擬,研究了熔滲過程傳熱傳質(zhì)的動力學(xué)機理。
　　 根據(jù)熔滲實驗?zāi)Ｐ团c力學(xué)基礎(chǔ)理論,推導(dǎo)了相變材料熔體熔

3、滲多孔陶瓷過程中的力學(xué)方程,導(dǎo)出了復(fù)合材料制備工藝中多孔陶瓷基體孔隙半徑條件、相變材料熔體滲入多孔陶瓷孔隙的深度條件以及相變材料熱物性參數(shù)與多孔陶瓷孔隙深度的關(guān)系式:根據(jù)體積平均理論與熱焓法,模擬了熔滲過程中多孔陶瓷內(nèi)相變材料熔體的壓力分布、溫度分布以及速度等。理論上確定了復(fù)合材料的制備工藝條件:陶瓷基體理論半徑宜小于6.8×10-5mm,浸滲溫度要大于相變材料的熔點小于多孔陶瓷的燒結(jié)溫度,浸滲時間依據(jù)具體的實驗工藝制定。
　　

4、 (2)依據(jù)熔滲制備工藝的研究理論,實驗研究了納米多孔陶瓷的溶膠-凝膠制各工藝和陶瓷基相變復(fù)合材料的熔融浸滲制備工藝。
　　 實驗研究表明,多孔陶瓷基體具有相互連通的孔結(jié)構(gòu),平均孔徑約30nm,密度為0.202g/cm3,孔隙率達90.4％,孔體積為4.39cm3/g,比表面積為527.8m2/g。實驗過程中發(fā)現(xiàn)隨乙醇含量增加,樣品的孔徑增大,即通過乙醇的不同配比可以調(diào)節(jié)樣品的孔尺寸或結(jié)構(gòu)。當(dāng)乙醇與正硅酸乙酯的摩爾比為10或20

5、時,合成的孔結(jié)構(gòu)特點的陶瓷基體適宜做相變材料的支撐材料,相變材料的浸滲率最大。選用石蠟作為相變材料時,浸滲率達到75wt％,浸滲時間宜為180～210s;選用糖醇作為相變材料時,浸滲率達到85wt％,浸滲時間宜為250～350s。復(fù)合材料的浸滲制備溫度適宜超過相變材料熔點之上約30℃。
　　 相變復(fù)合材料的性能測試表明:石蠟或糖醇相變材料與多孔陶瓷基體相容性好,熔滲過程中不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng);相變復(fù)合材料的相變溫度范圍為50～120

6、℃,蓄熱密度最高達到289.9 kJ/kg。石蠟(70＃)相變復(fù)合材料的抗彎強度為10.1±0.10MPa,屈服強度為0.03MPa,抗壓模量為18.8MPa;糖醇(120＃)相變復(fù)合材料的抗彎強度為25.9±0.10MPa,屈服強度為1.11MPa,抗壓模量達到740 Mpa。
　　 (3)測試了多孔氧化物陶瓷隔熱復(fù)合材料與相變復(fù)合材料的熱控效果,并進行了相應(yīng)的傳熱模擬研究。
　　 在相同測試條件下,當(dāng)熱面溫度為500

7、℃時,單一多孔氧化物陶瓷隔熱復(fù)合材料的冷面溫度為184.2℃;石蠟相變復(fù)合材料的冷面溫度最低為139.3℃;糖醇相變復(fù)合材料的冷面溫度最低為86.9℃。表明相變復(fù)合材料的熱控效果優(yōu)于單一的多孔氧化物陶瓷隔熱復(fù)合材料,糖醇相變復(fù)合材料的熱控效果好于石蠟相變復(fù)合材料。
　　 相變復(fù)合材料的傳熱模擬表明,相變復(fù)合材料在接近加熱面的位置,相變材料熔化非?？?隨著時間的推進,液相區(qū)域加長,固-液界面漸漸地向著熱流方向擴展,固相區(qū)域變短。三

8、種相變復(fù)合材料的傳熱模擬發(fā)現(xiàn),在相同的傳熱時間,90＃相變復(fù)合材料(蓄熱密度為198kJ/kg)的固.液界面發(fā)生距離遠小于58＃和62＃相變復(fù)合材料,表明了相變復(fù)合材料的蓄熱密度是控制溫度升高最關(guān)鍵的影響因素。
　　 (4)采用具有高吸收熱值的ZrOCl2·8H2O和硼酸為添加劑,首次研究了高熱控性能有機-無機復(fù)合相變材料,并以陶瓷纖維為基體,制備了高蓄熱密度的陶瓷基相變復(fù)合材料。
　　 含ZrOCl2·8H2O的石蠟相

9、變復(fù)合材料制備研究表明,ZrOCl2·8H2O以晶體的形式分布在陶瓷纖維結(jié)構(gòu)之中,相變復(fù)合材料分別在56.3℃和96～158℃的溫度區(qū)域有較大的吸熱峰,蓄熱密度共計達到536kJ/kg。當(dāng)ZrOCl2·8H2O添加量達到24.5wt％,在樣品的加熱面,以50℃/min快速升溫至600℃并保溫1800s時,其冷面溫度在114.5～137.6℃范圍有個遲緩過程,其延緩時間為840s,熱控效果比較顯著。
　　 含硼酸的糖醇相變復(fù)合材料

10、制備研究表明,硼酸以晶體的形式分布在陶瓷纖維結(jié)構(gòu)之中;相變復(fù)合材料分別在51.9℃、151.2℃和158.6℃有較大的吸熱峰,蓄熱密度共計達到671kJ/kg。
　　 當(dāng)熱面溫度以50℃/min快速升溫至600℃并保溫2800s時,含ZrOCl2·8H2O的石蠟相變復(fù)合材料的冷面溫度在115～128℃區(qū)間有一個延緩過程,其延緩時間為900s;含硼酸的糖醇相變復(fù)合材料的冷面溫度在152～163℃區(qū)間有一個延緩過程,其延緩時間為13