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热控相变材料熔渗纳米多孔陶瓷的研究

周祥发

  新型航天飞行器在大气层中长航时且以大于6Ma的速度飞行时,遭遇到的气动加热环境极其严重,其表面累计气动加热温度超过800℃。因此,开展高效隔热以及可热控的复合材料研究和设计具有重要的意义。本文首次将相变材料应用到飞行器内部防热系统上,通过利用纳米多孔陶瓷的三维骨架支撑作用,使相变材料比较均匀且充分地分布在多孔陶瓷网状结构之中,开展了热控相变材料熔渗纳米多孔陶瓷的研究。研究表明:多孔陶瓷骨架将75~85wt%的相变材料分成无数个纳米级蓄热小单元,当温度超过相变材料的熔点时,相变材料熔化而吸收热量,延缓了热量的传递,控制了温度的急剧上升,且因陶瓷骨架纳米孔的毛细管力作用,不会使相变材料熔体流出,保持了复合材料的定型结构。论文主要从以下几个方面开展研究工作: (1)通过相变材料熔体浸渗多孔陶瓷的力学推导以及计算流体力学软件(CFD/Fluent)的传热模拟,研究了熔渗过程传热传质的动力学机理。 根据熔渗实验模型与力学基础理论,推导了相变材料熔体熔渗多孔陶瓷过程中的力学方程,导出了复合材料制备工艺中多孔陶瓷基体孔隙半径条件、相变材料熔体渗入多孔陶瓷孔隙的深度条件以及相变材料热物性参数与多孔陶瓷孔隙深度的关系式;根据体积平均理论与热焓法,模拟了熔渗过程中多孔陶瓷内相变材料熔体的压力分布、温度分布以及速度等。理论上确定了复合材料的制备工艺条件:陶瓷基体理论半径宜小于6.8×10~(-5)mm,浸渗温度要大于相变材料的熔点小于多孔陶瓷的烧结温度,浸渗时间依据具体的实验工艺制定。 (2)依据熔渗制备工艺的研究理论,实验研究了纳米多孔陶瓷的溶胶—凝胶制备工艺和陶瓷基相变复合材料的熔融浸渗制备工艺。 实验研究表明,多孔陶瓷基体具有相互连通的孔结构,平均孔径约30nm,密度为0.202g/cm~3,孔隙率达90.4%,孔体积为4.39cm~3/g,比表面积为527.8m~2/g。实验过程中发现随乙醇含量增加,样品的孔径增大,即通过乙醇的不同配比可以调节样品的孔尺寸或结构。当乙醇与正硅酸乙酯的摩尔比为10或20时,合成的孔结构特点的陶瓷基体适宜做相变材料的支撑材料,相变材料的浸渗率最大。选用石蜡作为相变材料时,浸渗率达到75wt%,浸渗时间宜为180~210s;选用糖醇作为相变材料时,浸渗率达到85wt%,浸渗时间宜为250~350s。复合材料的浸渗制备温度适宜超过相变材料熔点之上约30℃。 相变复合材料的性能测试表明:石蜡或糖醇相变材料与多孔陶瓷基体相容性好,熔渗过程中不会发生化学反应;相变复合材料的相变温度范围为50~120℃,蓄热密度最高达到289.9 kJ/kg。石蜡(70#)相变复合材料的抗弯强度为10.1±0.10MPa,屈服强度为0.03MPa,抗压模量为18.8MPa;糖醇(120#)相变复合材料的抗弯强度为25.9±0.10MPa,屈服强度为1.11MPa,抗压模量达到740 MPa。 (3)测试了多孔氧化物陶瓷隔热复合材料与相变复合材料的热控效果,并进行了相应的传热模拟研究。 在相同测试条件下,当热面温度为500℃时,单一多孔氧化物陶瓷隔热复合材料的冷面温度为184.2℃;石蜡相变复合材料的冷面温度最低为139.3℃;糖醇相变复合材料的冷面温度最低为86.9℃。表明相变复合材料的热控效果优于单一的多孔氧化物陶瓷隔热复合材料,糖醇相变复合材料的热控效果好于石蜡相变复合材料。 相变复合材料的传热模拟表明,相变复合材料在接近加热面的位置,相变材料熔化非常快,随着时间的推进,液相区域加长,固-液界面渐渐地向着热流方向扩展,固相区域变短。三种相变复合材料的传热模拟发现,在相同的传热时间,90#相变复合材料(蓄热密度为198kJ/kg)的固-液界面发生距离远小于58#和62#相变复合材料,表明了相变复合材料的蓄热密度是控制温度升高最关键的影响因素。 (4)采用具有高吸收热值的ZrOCl_2·8H_2O和硼酸为添加剂,首次研究了高热控性能有机-无机复合相变材料,并以陶瓷纤维为基体,制备了高蓄热密度的陶瓷基相变复合材料。 含ZrOCl_2·8H_2O的石蜡相变复合材料制备研究表明,ZrOCl_2·8H_2O以晶体的形式分布在陶瓷纤维结构之中,相变复合材料分别在56.3℃和96~158℃的温度区域有较大的吸热峰,蓄热密度共计达到536kJ/kg。当ZrOCl_2·8H_2O添加量达到24.5wt%,在样品的加热面,以50℃/min快速升温至600℃并保温1800s时,其冷面温度在114.5~137.6℃范围有个迟缓过程,其延缓时间为840s,热控效果比较显著。 含硼酸的糖醇相变复合材料制备研究表明,硼酸以晶体的形式分布在陶瓷纤维结构之中;相变复合材料分别在51.9℃、151.2℃和158.6℃有较大的吸热峰,蓄热密度共计达到671kJ/kg。 当热面温度以50℃/min快速升温至600℃并保温2800s时,含ZrOCl_2·8H_2O的石蜡相变复合材料的冷面温度在115~128℃区间有一个延缓过程,其延缓时间为900s;含硼酸的糖醇相变复合材料的冷面温度在152~163℃区间有一个延缓过程,其延缓时间为1310s。表明高蓄热密度的相变复合材料有优异的热控效果。……   
[关键词]:陶瓷基复合材料;多孔陶瓷;相变材料;热控;熔渗
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:湖南大学2011年
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