基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构

本发明涉及飞行器多功能集成壳体材料，尤其涉及基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构。

背景技术：

1、随着航空航天技术的快速发展和成熟，以载人航天、探月工程、深空探测、航天飞机、飞船返回舱、可重复使用运载器等为代表的高速飞行器成为研究热点。新型高速飞行器面临的热环境越加严酷，在飞行过程中需承受气动加热造成高达1000℃以上的极端高温环境与烧蚀行为，对其壳体材料的防热、隔热性能提出了苛刻的要求。热防护材料体系是确保飞行器内部电子元器件和载人空间正常工作所必须依赖的关键，并趋向于低密度、低热导率、防热和隔热功能兼容的方向发展。自20世纪50年代以来，飞行器热防护材料体系不断发展，尤其以可陶瓷化复合材料、纤维增强复合材料为代表的先进超轻质可重复使用热防护材料，在先进航天飞行器上成功获得应用。尤其，树脂基烧蚀防热材料通过物化吸热反应达到防热效果，并且具备高可靠性、高性价比、装配简捷的优势，已成为最有效、成熟和经济的一种热防护方式。

2、热防护系统的多功能化和功能集成化是先进航天飞行器未来发展的必然需求，以实现防热、隔热、热力承载、电磁防护、阻燃等多重功能的兼容与集成。通过在飞行器上实现电磁吸波功能，有利于减少电磁波污染与电磁干扰，压制电磁噪声，提高载搭电子设备的工作稳定性，并能实行低散射目标特性的电磁隐身防护功能集成设计以规避雷达预警探测。因此，发展防热/隔热/电磁吸波多功能集成新材料成为推动新型高速飞行器发展的关键支撑技术。

技术实现思路

1、本发明提出基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构，其具有结构功能一体化特性，并且易实现热防护与电磁防护多功能集成，可为未来高速飞行器构件实现防热/隔热/电磁防护多功能兼容与集成提供新途径。为实现上述发明目的，本发明公开以下技术方案。

2、基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构，其从下到上依次包括：金属底板、陶瓷基高温吸波超结构层、纤维增强气凝胶隔热层和超高温抗烧蚀涂层。

3、进一步地，所述陶瓷基高温吸波超结构层是采用陶瓷基吸波剂成型为多孔结构胞元的周期性阵列的三维超结构。多孔型的所述陶瓷基高温吸波超结构层的孔隙为相变发汗冷却降温主动热防护的冷却介质提供流动通道。

4、可选地，所述陶瓷基吸波剂包括镧锶锰氧陶瓷吸波剂、sic吸波剂、sibc吸波剂等中的任意一种。

5、可选地，所述冷却介质包括水、超临界co2等气态或液态流体的任意一种。

6、进一步地，所述陶瓷基高温吸波超结构层的厚度为8~15 mm。

7、进一步地，所述纤维增强气凝胶隔热层由陶瓷纤维和陶瓷气凝胶混合而成。

8、可选地，所述陶瓷纤维包括石英纤维、氧化铝纤维等中的任意一种。

9、可选地，所述陶瓷气凝胶包括二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶等中的任意一种。

10、进一步地，所述纤维增强气凝胶隔热层的厚度为5~15 mm。

11、进一步地，所述超高温抗烧蚀涂层由可陶瓷化聚合物先驱体和超高温陶瓷粉体均匀混合后加热处理形成。

12、可选地，所述可陶瓷化聚合物先驱体包括聚硅氮烷、聚硅硼氮烷、聚碳硅烷等中的至少一种，其在高温环境下可转化为si(c/n)纳米陶瓷相。

13、可选地，所述超高温陶瓷粉体包括碳化物、硼化物、氮化物等中的至少一种。

14、与现有技术相比，本发明取得的有益效果包括：本发明的基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构利用轻质陶瓷基吸波剂制备成型为多孔结构胞元的周期性阵列的三维超结构作为核心组成，从而综合利用多孔道超结构的介质相变发汗冷却主动热防护、气凝胶纳米孔隙网络结构的高效隔热、超高温陶瓷涂层的耐高温抗烧蚀与三维超结构电磁波宽频域宽角域高损耗吸波的多重机制协同作用，具有结构功能一体化特性，并且易实现热防护与电磁防护多功能集成，可为未来高速飞行器构件实现抗烧蚀、隔热与电磁吸波防护一体化提供新途径。

技术特征：

1.基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构，其特征在于，所述复合结构从下到上依次包括：金属底板、陶瓷基高温吸波超结构层、纤维增强气凝胶隔热层和超高温抗烧蚀涂层。

2.根据权利要求1所述的基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构，其特征在于，所述陶瓷基高温吸波超结构层是采用陶瓷基吸波剂成型为多孔结构胞元的周期性阵列的三维超结构；多孔型的所述陶瓷基高温吸波超结构层的孔隙为相变发汗冷却降温主动热防护的冷却介质提供流动通道。

3.根据权利要求2所述的基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构，其特征在于，所述陶瓷基吸波剂包括镧锶锰氧陶瓷吸波剂、sic吸波剂、sibc吸波剂中的任意一种；

4.根据权利要求1所述的基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构，其特征在于，所述陶瓷基高温吸波超结构层的厚度为8~15 mm。

5.根据权利要求1所述的基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构，其特征在于，所述纤维增强气凝胶隔热层由陶瓷纤维和陶瓷气凝胶混合而成。

6.根据权利要求5所述的基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构，其特征在于，所述陶瓷纤维包括石英纤维、氧化铝纤维中的任意一种；

7.根据权利要求1所述的基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构，其特征在于，所述纤维增强气凝胶隔热层的厚度为5~15 mm。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构，其特征在于，所述超高温抗烧蚀防热涂层由可陶瓷化聚合物先驱体和超高温陶瓷粉体均匀混合后加热处理形成。

9.根据权利要求8所述的基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构，其特征在于，所述可陶瓷化聚合物先驱体包括聚硅氮烷、聚硅硼氮烷、聚碳硅烷中的至少一种。

10.根据权利要求8所述的基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构，其特征在于，所述超高温陶瓷粉体包括碳化物、硼化物、氮化物中的至少一种。

技术总结
本发明公开基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构，其从下到上依次包括：金属底板、陶瓷基高温吸波超结构层、纤维增强气凝胶隔热层和超高温抗烧蚀涂层。本发明的基于多孔超结构的主动冷却防热与电磁吸波功能一体化复合结构利用轻质陶瓷基吸波剂制备成型为多孔结构胞元的周期性阵列的三维超结构作为核心组成，从而综合利用多孔道超结构的介质相变发汗冷却主动热防护、气凝胶纳米孔隙网络结构的高效隔热、超高温陶瓷涂层的耐高温抗烧蚀与三维超结构电磁波宽频域宽角域高损耗吸波的多重机制协同作用，具有结构功能一体化特性，并且易实现热防护与电磁防护多功能集成，可为未来高速飞行器壳体构件实现耐高温、抗烧蚀、隔热与电磁吸波防护一体化提供新途径。

技术研发人员：王龙,杨理钧,王文豪,刘顾,汪刘应,葛超群,王滨,许可俊
受保护的技术使用者：中国人民解放军火箭军工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23