轻质储热控温多功能结构的力学性能与控温机理研究

Advanced spacecraft structures are continually being developed for the purpose of reducing weight, increasing the payload of aircrafts and controlling temperatures. In this project, a lightweight multifunctional sandwich structure for controlling temperatures is developed which provides both high specific strength and stiffness, high thermal conductivity, high thermal storage. The present project focuses on the design, manufacture, thermal and mechanical properties of the multifunctional sandwich structure. At first, it is fabricated by adding the high thermal conductivity foam materials with phase change materials into the vast interspace of the lightweight lattice truss structure. And then, it is researched the effect of design variable including geometric parameter of structures, physical parameter of materials and interface thermal resistance on thermal conductivity, latent heat and mechanical properties. At last, compared with the other multifunctional structures, a parameter is developed for evaluating the overall performance of the multifunctional sandwich structure, which further perfects a synergetic optimization design theory. This project may provide some necessary theoretical supports and technical reserve for the application of lightweight multifunctional sandwich structures in temperature control field of the satellite.

为了满足航空航天等领域对结构轻量化和精准控温等多功能一体化的迫切需求，本项目拟开展轻质储热控温多功能结构的设计理论、制备工艺、控温特性和力学性能表征等研究工作。利用轻质点阵夹芯结构内部的大量空间，填充高导热泡沫材料，真空浸渗储热相变材料，制备轻质储热控温多功能结构，系统研究结构几何参数、材料物理参数、以及界面接触热阻等设计变量对其导热系数、潜热和力学性能的影响，与已有同类多功能结构进行热、力学性能对比分析，提炼出评价多功能结构综合性能优劣的评价指标，完善多功能结构一体化协同优化设计理论，实现结构的力学-储热-控温多重功能，为结构在卫星高精密仪器热控制等方面的应用奠定基础。

为了满足航空航天等领域对结构轻量化和精准控温等多功能一体化的迫切需求，本项目拟开展轻质储热控温多功能结构的设计理论、制备工艺、控温特性和力学性能表征等研究工作。.1.碳纤维复合材料多级蜂窝结构力学性能：本文通过在碳纤维蜂窝结构中加入高模量多级相，来增强碳纤维分层复合材料方形蜂窝结构（HCSH）的力学性能。HCSH是由碳纤维/泡沫复合材料夹层结构通过简单的卡扣和粘接方法制成的。结构的压缩实验及剪切实验测量结果与本文中的力学失效模型十分吻合。与碳纤维复合材料方形蜂窝结构（CSH）相比，测得的HCSH面外抗压强度提高到约330%，剪切强度提高到约180%。此外，本文还研究了多级项的模量和厚度与结构力学承载能力的关系，为结构的优化提供指导。HCSH具有比其他蜂窝结构更好的力学性能，因此为轻质多功能夹层结构提供了新的机会。.2.高导热碳纤维蜂窝结构的力学与热学性能研究：碳纤维复合材料蜂窝结构导热性能差，阻碍了其在高端散热领域的应用。本文提出了一种多功能碳纤维蜂窝夹层结构（MCFHS）的制备方法，并且使用该工艺制备的高导热蜂窝结构具有良好的导热能力和承载能力。同时我们推导了预测结构压缩强度和导热系数的理论模型，实验结果与之吻合较好。为了研究结构在实际工况下的散热能力，本文设计了针对结构在点热源和表面热源作用下的结构导热实验。结果表明，MCFHS具有优良的热性能和力学性能。这种制造策略有可能为轻质多功能蜂窝提供新的机会。.3.碳纤维/铜泡沫承载与热管理能力的研究：本文设计了一种多功能夹芯板，该夹芯板具有承载与热管理的功能。该结构使用碳纤维复合材料作为结构的支撑骨架，使结构具有优秀的准静态力学承载能力。并且在结构中加入铜泡沫，以此增加结构的导热能力。之后利用真空浸渍法在铜泡沫中加入正十八烷（相变材料），使结构具有储存热能的能力，以此实现对结构温度的控制。