近空間飛行器輕質防熱結構的仿生設計與製造

《近空間飛行器輕質防熱結構的仿生設計與製造》是依託南京航空航天大學，由戴振東擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：近空間飛行器輕質防熱結構的仿生設計與製造
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：戴振東
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

近地空間超高音速飛行器兼具空間和平利用和構成戰略威懾雙重功用。輕質防熱結構和材料是發展這類飛行器的關鍵之一。項目在仿生的生物學基礎積累和對現有輕質結構深入分析的基礎上，提出提高界面強度的仿生無界面輕質結構設計，以甲蟲鞘翅的幾何拓撲為輕質結構幾何構形的生物模板和最佳化起點；以輕質高強，兼顧防熱性能為設計目標；研究自適應防熱結構；提出3維拓撲結構的立體列印製造方法和基於現有輕質結構材料的仿生生長製造方法。考慮製造工藝，設計多層材料複合，多重結構變化的輕質熱防護結構；採用陶瓷鍍層、耐熱輕質結構、輕合金結構等多種材料和多種製造工藝，製備輕質多功能結構。目標是獲得具有工藝可行性、滿足輕質、高強、隔熱等功能要求的幾何結構與材料拓撲分布的設計理念和方法；建立多學科交叉、多目標最佳化的測評理論和技術；為近空間飛行器輕質防熱結構的研製奠定基礎。

結題摘要

本課題研究目標是建立一種滿足近空間飛行器性能需要的輕質防熱耐損傷結構材料的設計方法、製造技術和評價體系。 研究內容以甲蟲鞘翅微結構為仿生的生物學模板，揭示其鞘翅的三維微結構，為輕質結構材料的製備提供仿生的生物學基礎。 以生物學研究為指導，利用三維列印、熱熔焊和複製電化學沉積三種方法分別製備了仿鞘翅模型、金屬點陣結構和泡沫金屬三類輕質多孔材料。 由於泡沫金屬具有表面積大，輕質多孔，導熱導電等特點，我們從散熱，摩擦材料，電磁禁止，電池板柵材料四個方面進行了相關的功能套用探索。 散熱方面，我們用泡沫銅取代傳統的翅狀散熱片，並用釺焊的方法降低界面熱阻，對泡沫銅翅片陣列散熱器進行了風洞煙霧實驗，實驗證明，孔隙率對泡沫銅的散熱能力有很大影響，要根據外界條件，比如尺寸，風阻等進行合理的最佳化。 摩擦材料方面涉及的是以轉移摩擦熱為目的的泡沫金屬為骨架的減磨耐磨結構，在泡沫金屬孔隙中實現了不同潤滑介質的有效填充。我們對複合材料的力學性能、導熱導電性能以及摩擦學性能進行了評價，結果顯示泡沫銅骨架對潤滑填料具有包覆支撐作用，並且可以有效地轉移界面的摩擦熱，從而提高了材料的減磨耐磨性能 電磁禁止方面，我們基於高比表面積，高吸收，高導電的考慮，將泡沫金屬與石墨烯及碳管結合用於電磁禁止材料的設計，把傳統的透氣禁止材料從2維擴展到3維尺度。泡沫金屬的電磁禁止原理主要是反射及多次反射。從結果來看，相比於實體金屬板，泡沫金屬在重量很輕，透氣的優勢下，禁止效能保持相當。 泡沫鉛電池板柵材料方面，相比於傳統的拉網鉛板柵，泡沫鉛板柵表觀密度降低一倍，峰值電流和表面積得到很大提高，泡沫鉛的三維網狀結構可以有效提高活性物質利用率，裝載量和放電容量。