石墨泡沫炭浸渗高温相变复合储能材料的设计与分析

摘要

热防护技术是飞行器安全飞行的重要基础性课题之一。本文为某行星探测器设计了“热结构-相变式热沉-隔热”复合热防护方案：外表面采用C/C薄壳式热结构，中层利用石墨泡沫炭浸渗NaCl复合相变储能材料作为相变式热沉，内层以柔性隔热毡进行隔热。
　　利用软模板法，以中间相沥青为碳源，以聚氨酯泡沫为模板，经过悬浮液配制、浸渍与干燥、复制模板、氧化定型、炭化和石墨化等步骤制备了石墨化泡沫炭。对各工艺步骤分别进行了密度、微观形貌、红外光谱分析、元素含量、XRD和拉曼光谱分析。最终石墨泡沫炭的密度达0.43g/cm3，石墨化度达42％，热导率达7.8 W/(m·K)，压缩强度达7.40MPa。
　　选择NaCl作为高温相变材料，采用浸液法制备了复合相变储能材料，测得其相变温度为793℃，相变焓为420.4J/g，热导率达12.92W/(m·K)。NaCl填满了泡沫炭表面的孔隙，浸渗过程并未产生新物相。
　　利用 FLUENT融化—凝固模型对热防护系统的传热过程进行了分析，发现采用3-10-8型热防护方案可以满足设计要求，同时具有最小结构质量。与文献所采用的C/C翅片强化LiF传热方案比较发现，本文方案具有可观的减重效果。

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第1章绪论

1.1论文研究背景与意义

1.2飞行器热防护系统的研究和发展

1.3高温相变材料和石墨化泡沫炭研究进展

1.4研究内容和研究方法

第2章石墨化泡沫炭的制备

2.1原料的测试与表征

2.2石墨泡沫炭的制备工艺流程

2.3目标性能参数及其影响因素

2.4实验方案设计

2.5本章小结

第3章石墨化泡沫炭的性能测试与表征

3.1石墨化泡沫炭的制备过程分析

3.2石墨化泡沫炭的性能测试

3.3本章小结

第4章复合相变储能材料的制备与测试表征

4.1高温相变材料的选型与表征

4.2多孔介质的液相浸渗原理与分析

4.3高温相变材料的浸渗工艺

4.4复合相变储能材料的测试表征

4.5本章小结

第5章复合相变储能材料在热防护系统中的应用

5.1传热学基本原理

5.2热防护系统的基本参数及其热载荷

5.3热防护系统的传热过程分析

5.4不同热防护设计方案的比较

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢