高超聲速飛行器熱管理應(yīng)用分析

高超聲速飛行器熱管理應(yīng)用分析

1碳材料在熱管理中的應(yīng)用在服務(wù)過程中，新高速低速攝像機(jī)必須經(jīng)歷低密度熱流（1mw/m2）的持續(xù)和高釋放，并且總加熱能力非常高。同時(shí)，飛機(jī)復(fù)雜的非對(duì)稱形狀導(dǎo)致了大規(guī)模的熱防護(hù)系統(tǒng)的低密度熱流加熱，許多特殊部件也經(jīng)歷了相對(duì)較強(qiáng)的加熱，不同部件的溫度極不均勻。高超聲速飛行器的熱環(huán)境特征對(duì)傳統(tǒng)的燒蝕型和非燒蝕的隔熱型熱防護(hù)系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),為此美國空軍推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室提出了熱管理的概念,用以綜合控制不同部位的熱流,使高溫區(qū)熱流流向低溫區(qū),從而降低高溫區(qū)熱防護(hù)的難度。就熱管理系統(tǒng)的熱防護(hù)機(jī)理而言,任何可以應(yīng)用于高溫環(huán)境的高導(dǎo)熱材料都可以用于該系統(tǒng)。高溫?zé)峁苁且环N有效的熱管理部件,由金屬合金或難熔化合物制成的細(xì)管和內(nèi)部填充的、在服役溫度下可以以流體狀態(tài)存在的介質(zhì)構(gòu)成。高溫?zé)峁茉趹?yīng)用于熱管理系統(tǒng)時(shí),熱管中介質(zhì)在溫差的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行物料傳遞,將熱量由高溫區(qū)帶到低溫區(qū),從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱量流動(dòng)進(jìn)行控制的綜合管理。但特定熱管的服役溫度范圍較窄,只能應(yīng)用于特定的溫度區(qū)間內(nèi),因此其應(yīng)用受到了一定的限制。碳材料具有很高的理論熱導(dǎo)率,并可以通過專門設(shè)計(jì)制成具有定向?qū)岬牟牧?同時(shí)碳材料由于可以應(yīng)用于高達(dá)3000℃的無氧環(huán)境中,有望在高超聲速飛行器的熱管理結(jié)構(gòu)中起主要作用。本文將從碳材料的高導(dǎo)熱機(jī)理出發(fā),結(jié)合目前已經(jīng)獲得的高導(dǎo)熱碳材料,探討碳材料在熱管理系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性,并設(shè)計(jì)幾種可能的熱管理結(jié)構(gòu)。2碳材料的高熱理性和高熱異質(zhì)2.1石墨片層間間距與碳材料熱導(dǎo)率的關(guān)系碳材料的定向高導(dǎo)熱特性源于碳材料內(nèi)部沿石墨片層方向上的高導(dǎo)熱[理論值為2kW/(m·K)]特性和垂直于石墨片層方向的低導(dǎo)熱[理論值為6W/(m·K)]特性。石墨片層和石墨片層疊結(jié)構(gòu)如圖1所示。在石墨片層中熱量的傳遞主要是通過聲子在SP2雜化碳鍵結(jié)合到一起的碳原子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上快速傳遞而實(shí)現(xiàn)的,通過理論推導(dǎo)可以得出其熱導(dǎo)率λ的表達(dá)式:λ=13Cvˉl(1)λ=13Cvˉl(1)式中,C為單位體積熱容量,vˉvˉ代表聲子的平均速率,l代表聲子的平均自由程,在高溫下主要由它們的碰撞過程決定,但也受晶體內(nèi)的孔隙、裂紋、雜質(zhì)和缺陷等的影響。在垂直于石墨片層方向,石墨片層間依賴離域的“大π鍵”形成的范德華力結(jié)合到一起,片層間理論間距為0.3354nm,遠(yuǎn)大于石墨片層中相鄰碳原子間的間距(0.142nm),因此在該方向上熱阻較大,熱導(dǎo)率較低。由以上分析可知,碳材料的熱導(dǎo)率與內(nèi)部石墨微晶大小La密切相關(guān):La越大,熱導(dǎo)率越高。這意味著碳材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)越趨于理想石墨的完美結(jié)構(gòu),其熱導(dǎo)率越高。在保證石墨片層方向上結(jié)構(gòu)趨于完美石墨片層結(jié)構(gòu)的同時(shí),加大片層間的間距或在片層間加入高熱阻成分均可以提高碳材料在熱傳導(dǎo)方向和垂直于熱傳導(dǎo)方向的熱導(dǎo)率各向異性度。在實(shí)際制備高導(dǎo)熱碳材料時(shí),隨著平行于石墨片層方向熱導(dǎo)率的提高(結(jié)構(gòu)缺陷減少),石墨片層間的間距不斷減小,增大了垂直于石墨片層方向上的熱導(dǎo)率,造成其熱導(dǎo)率各向異性度降低。解決這個(gè)問題的一個(gè)有效途徑是形成細(xì)長型碳材料(如碳纖維、納米碳管等),即在軸向形成結(jié)構(gòu)取向良好的高導(dǎo)熱材料,垂直于軸向方向僅僅依靠物理搭接實(shí)現(xiàn)低熱導(dǎo)率,從而獲得各向異性程度很高的材料。圖2給出了由石墨片層卷曲獲得納米碳管的示意圖。經(jīng)過理論計(jì)算,單根納米碳管在常溫下的熱導(dǎo)率高達(dá)6.6kW/(m·K),是目前已知材料中最高的。2.2熱導(dǎo)率的對(duì)比經(jīng)過研究,已獲得了多種具有高熱導(dǎo)率的碳材料,包括中間相瀝青碳材料(中間相瀝青基泡沫碳、碳纖維、炭帶、C/C復(fù)合材料等)、熱解碳材料(高取向熱解石墨HOPG、氣相生長碳纖維VGCF、納米碳管CNT等)及其他碳材料(如聚丙烯腈碳纖維)等。表1給出了各種碳材料達(dá)到的最高熱導(dǎo)率值。由表1可以看出,目前已經(jīng)制備的高導(dǎo)熱碳材料的熱導(dǎo)率均超過了150W/(m·K),而有些材料(如VGCF、CNT、MPCF等)的熱導(dǎo)率已經(jīng)超過1kW/(m·K),這為碳材料用作熱管理材料奠定了基礎(chǔ)。中間相瀝青基泡沫碳材料是一種密度較低(<0.5g/cm3)的新型高導(dǎo)熱碳材料,雖然其熱導(dǎo)率較低[<200W/(m·K)],但由表2所示的估測(cè)泡沫壁的熱導(dǎo)率推測(cè),經(jīng)過合理的增密處理后有望獲得高達(dá)1kW/(m·K)的低密度高導(dǎo)熱碳材料。作為高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)中的熱管理材料,除了具有較高的熱導(dǎo)率外,還應(yīng)具有較低的密度,即具有高的比熱導(dǎo)率。表3給出了文獻(xiàn)中歸納的一些常用高導(dǎo)熱材料與碳材料比熱導(dǎo)率的對(duì)比情況?？梢钥闯?雖然金屬材料(Cu、Al等)的熱導(dǎo)率較一般中間相瀝青基泡沫碳材料高,但其比熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后者。這些金屬材料制成泡沫材料后,雖然比熱導(dǎo)率有所提高,但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于泡沫碳材料。就高導(dǎo)熱碳材料(其理論密度為2.267g/cm3)而言,它的密度一般都小于2.0g/cm3,從而碳材料的比熱導(dǎo)率可以高達(dá)1kW·(m·K)-1/(g·cm-3),是金屬鋁的近200倍。因此,具有高導(dǎo)熱特性的輕質(zhì)碳材料有望在未來的高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。3碳材料的定向疏導(dǎo)結(jié)構(gòu)由于碳材料具有良好的熱傳導(dǎo)各向異性,可以用來制成具有特定方向高導(dǎo)熱而其他方向低導(dǎo)熱的熱疏導(dǎo)結(jié)構(gòu)。如利用高定向熱解石墨在石墨片層方向高的熱導(dǎo)率和垂直于石墨片層方向低的熱導(dǎo)率特性直接制成具有一定形狀的定向疏導(dǎo)結(jié)構(gòu)。對(duì)于細(xì)長型碳材料(如中間相瀝青基碳纖維、納米碳纖維、納米碳管等),它們的高導(dǎo)熱特性發(fā)生在軸向方向,因此可以將這些材料制成纖維/管,或者利用它們的集束再制成板材,可以實(shí)現(xiàn)熱量的定向傳遞,如圖3(a)所示。在具體服役過程中,為防止少量的熱量從垂直于纖維(管)束/面板的方向傳出,可以在垂直于纖維(管)束/面板方向和冷面增加高效隔熱材料[圖3(b)],從而實(shí)現(xiàn)熱量流動(dòng)的定向管理。中間相瀝青基泡沫碳是一種高導(dǎo)熱的輕質(zhì)碳材料,孔隙率>80%,且孔隙的90%以上都為通孔,因此泡沫碳在用作熱管理材料時(shí),還可以同時(shí)在熱流方向通入流體,使熱量更有效地得到定向輸送,如圖3(c)所示。4定向高導(dǎo)熱碳材料具有定向高導(dǎo)熱性能的碳材料同時(shí)具有耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、密度小、易加工等優(yōu)點(diǎn),是可以應(yīng)用到未來高超聲速飛行器熱管理系統(tǒng)中的重要材料;由定向高導(dǎo)熱碳材料與高效隔熱材料組合形成的定向高