近空间飞行器轻质防热结构的仿生设计与制造

近地空间超高音速飞行器兼具空间和平利用和构成战略威慑双重功用。轻质防热结构和材料是发展这类飞行器的关键之一。项目在仿生的生物学基础积累和对现有轻质结构深入分析的基础上，提出提高界面强度的仿生无界面轻质结构设计，以甲虫鞘翅的几何拓扑为轻质结构几何构形的生物模板和优化起点；以轻质高强，兼顾防热性能为设计目标；研究自适应防热结构；提出3维拓扑结构的立体打印制造方法和基于现有轻质结构材料的仿生生长制造方法。考虑制造工艺，设计多层材料复合，多重结构变化的轻质热防护结构；采用陶瓷镀层、耐热轻质结构、轻合金结构等多种材料和多种制造工艺，制备轻质多功能结构。目标是获得具有工艺可行性、满足轻质、高强、隔热等功能要求的几何结构与材料拓扑分布的设计理念和方法；建立多学科交叉、多目标优化的测评理论和技术；为近空间飞行器轻质防热结构的研制奠定基础。

本课题研究目标是建立一种满足近空间飞行器性能需要的轻质防热耐损伤结构材料的设计方法、制造技术和评价体系。.研究内容以甲虫鞘翅微结构为仿生的生物学模板，揭示其鞘翅的三维微结构，为轻质结构材料的制备提供仿生的生物学基础。.以生物学研究为指导，利用三维打印、热熔焊和复制电化学沉积三种方法分别制备了仿鞘翅模型、金属点阵结构和泡沫金属三类轻质多孔材料。.由于泡沫金属具有表面积大，轻质多孔，导热导电等特点，我们从散热，摩擦材料，电磁屏蔽，电池板栅材料四个方面进行了相关的功能应用探索。.散热方面，我们用泡沫铜取代传统的翅状散热片，并用钎焊的方法降低界面热阻，对泡沫铜翅片阵列散热器进行了风洞烟雾实验，实验证明，孔隙率对泡沫铜的散热能力有很大影响，要根据外界条件，比如尺寸，风阻等进行合理的优化。.摩擦材料方面涉及的是以转移摩擦热为目的的泡沫金属为骨架的减磨耐磨结构，在泡沫金属孔隙中实现了不同润滑介质的有效填充。我们对复合材料的力学性能、导热导电性能以及摩擦学性能进行了评价，结果显示泡沫铜骨架对润滑填料具有包覆支撑作用，并且可以有效地转移界面的摩擦热，从而提高了材料的减磨耐磨性能.电磁屏蔽方面，我们基于高比表面积，高吸收，高导电的考虑，将泡沫金属与石墨烯及碳管结合用于电磁屏蔽材料的设计，把传统的透气屏蔽材料从2维扩展到3维尺度。泡沫金属的电磁屏蔽原理主要是反射及多次反射。从结果来看，相比于实体金属板，泡沫金属在重量很轻，透气的优势下，屏蔽效能保持相当。.泡沫铅电池板栅材料方面，相比于传统的拉网铅板栅，泡沫铅板栅表观密度降低一倍，峰值电流和表面积得到很大提高，泡沫铅的三维网状结构可以有效提高活性物质利用率，装载量和放电容量。