本發(fā)明屬于航天器高溫?zé)岱雷o(hù)，具體涉及一種利用分波段摻雜消光相變纖維的紅外光譜調(diào)控氣凝膠真空隔熱板及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、真空隔熱板是一種由填充材料及真空層復(fù)合而成的真空保溫材料，在滿足同等隔熱要求的情況下，可實(shí)現(xiàn)更薄的隔熱層、更小的體積和更輕的重量。氣凝膠作為另一種超強(qiáng)隔熱材料，已經(jīng)被研究作為填充材料封裝進(jìn)真空隔熱板內(nèi)，形成新型真空隔熱板。但從隔熱材料實(shí)際應(yīng)用方面來看其具有若干明顯的缺陷：(1)常規(guī)的真空隔熱板填充材料是sio2氣凝膠，但是其在高溫下內(nèi)部顆粒融合，結(jié)構(gòu)會發(fā)生坍塌，這限制了它在高溫情況下的應(yīng)用；(2)由于氣凝膠在高溫下對3～8μm近紅外輻射高度透明，這使得其在高溫環(huán)境中使用時(shí)輻射傳熱顯著增加；(3)自身比熱容較低，在非穩(wěn)態(tài)傳熱中溫度響應(yīng)快，短效隔熱性能較差，隔熱能力不足；(4)氣凝膠內(nèi)存在溫度梯度，不同種類的消光材料具有不同的消光特性和耐溫性，缺乏有效的摻雜方式；(5)傳統(tǒng)的摻雜方式僅根據(jù)最佳尺寸進(jìn)行多層摻雜，而忽略了相應(yīng)的最佳摻雜比例，以及纖維的消光特性與入射紅外波長有關(guān)。

2、當(dāng)然，針對上述缺陷性問題，現(xiàn)有技術(shù)也在積極尋找解決方案，比如為解決sio2氣凝膠高溫下易坍塌問題，采用機(jī)械性能更強(qiáng)的al2o3氣凝膠替代。比如為解近紅外透光性問題，通常摻雜sic、tio2或sio2等遮光劑抑制近紅外輻射。但在航空航天應(yīng)用中，由于表面氣壓的驟升，遮光劑在數(shù)秒內(nèi)會迅速破裂，纖維呈特定角度排列取代遮光劑起到抑制近紅外輻射傳熱的效果。比如為解決氣凝膠短效隔熱性能較差的問題，將相變材料用遮光材料包裹支撐纖維，摻雜到氣凝膠基體中。但是，傳統(tǒng)摻雜方式僅根據(jù)最佳尺寸進(jìn)行多層摻雜，而忽略了相應(yīng)的最佳摻雜比例，以及纖維的消光特性與入射紅外波長有關(guān)。

3、因此，現(xiàn)有技術(shù)的真空隔熱板依然存在由于傳統(tǒng)二氧化硅氣凝膠易坍塌及遮光劑破裂帶來的隔熱性能差、輻射傳熱以及短效隔熱無法調(diào)控的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種摻雜相變纖維的紅外光譜調(diào)控氣凝膠真空隔熱板及其應(yīng)用，解決了現(xiàn)有氣凝膠熱防護(hù)真空隔熱板強(qiáng)度低，紅外透光強(qiáng)和熱慣性較差等缺點(diǎn)；同時(shí)有效替代遮光劑，避免實(shí)際航天航空應(yīng)用中遮光劑破裂導(dǎo)致的隔熱性能差、輻射傳熱以及短效隔熱無法調(diào)控的技術(shù)問題。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明公開了一種摻雜消光相變纖維的紅外光譜調(diào)控氣凝膠真空隔熱板，包括氣凝膠芯材和包覆在其外部的真空封裝殼層，真空封裝殼層將氣凝膠芯材封閉在近似真空的環(huán)境中；

4、所述氣凝膠芯材由al2o3氣凝膠摻雜至少三層的消光相變纖維構(gòu)成，摻雜的消光相變纖維占al2o3氣凝膠體積的10％～15％；

5、所述真空封裝殼層材料選擇耐高溫且具有消光性能的材料。

6、優(yōu)選地，具有消光性能的相變纖維芯材為相變材料，包括半導(dǎo)體類氧化物、有機(jī)相變材料、金屬合金等，其物性包括相變溫度、潛熱、消光性能等根據(jù)實(shí)際波段和隔熱環(huán)境選取。

7、優(yōu)選地，摻雜的至少三層消光相變纖維依據(jù)溫度集中波峰自短波段開始逐層向長波段設(shè)置，以在隔熱板的冷、熱面溫差高達(dá)1000k時(shí)，分光譜抑制其內(nèi)紅外輻射。

8、進(jìn)一步優(yōu)選地，波段根據(jù)波峰集中段劃分為：

9、短波段：2.22～3.20μm，900～1300k；

10、中波段：3.20～7.23μm，400～900k；

11、長波段：7.23～9.63μm，300～400k。

12、優(yōu)選地，在短波段、中波段和長波段摻雜的消光相變纖維的相變溫度、潛熱、體積分?jǐn)?shù)以及消光性能參數(shù)分別設(shè)置為高、適中和低；短波段、中波段和長波段摻雜的消光相變纖維的摻雜體積分?jǐn)?shù)依次遞減。

13、進(jìn)一步優(yōu)選地，紅外輻射集中在2.22～3.20μm摻雜相變纖維a，a需滿足相變溫度高、潛熱高、體積分?jǐn)?shù)高、消光性能優(yōu)異等特性；在3.20～7.23μm摻雜相變纖維b，b需滿足相變溫度中等、潛熱適中、體積分?jǐn)?shù)適中、消光性能適中等特性；在7.23～9.63μm摻雜相變纖維c，c需滿足相變溫度低、潛熱低、體積分?jǐn)?shù)低等特性。

14、進(jìn)一步優(yōu)選地，各層的相變纖維的相變芯材的相變溫度、潛熱、消光特性等物性由該層實(shí)際入射波段決定，當(dāng)入射波段處于2.22～3.20μm(900～1300k)時(shí)可選擇鎂硅合金等高相變溫度、高潛熱和消光特性優(yōu)異的金屬合金材料；當(dāng)入射波段處于3.20～7.23μm(400～900k)時(shí)可選擇鋅鋁合金等相變溫度適中、潛熱適中的有機(jī)相變材料；當(dāng)入射波段處于7.23～9.63μm(300～400k)時(shí)可選擇二氧化釩等低相變溫度、潛熱低的半導(dǎo)體類金屬氧化物。

15、更進(jìn)一步優(yōu)選地，在2.22～3.20μm紅外光譜區(qū)間采用相變溫度為1219k、潛熱為757kj·kg-1的鎂硅合金；在3.20～7.23μm紅外光譜區(qū)間采用相變溫度為710k、潛熱為117kj·kg-1的鋅鋁合金；在7.23～9.63μm紅外光譜區(qū)間采用相變溫度為341k、潛熱43kj·kg-1的vo2。

16、進(jìn)一步優(yōu)選地，相變纖維的摻雜體積分?jǐn)?shù)由短波段到長波段遞減，三種相變纖維的摻雜量為別為a為5％，b為4％，c為2％。

17、優(yōu)選地，至少三層的消光相變纖維按照特定70°角度排列，以根據(jù)不同的紅外輻射和材料相變后消光性能提升機(jī)制，光譜選擇性地抑制不同波長段的紅外輻射。特定角度的相變纖維的消光性能優(yōu)于隨機(jī)摻雜的傳統(tǒng)實(shí)心纖維，更能高效抑制輻射傳熱而提升氣凝膠復(fù)合材料的高溫隔熱性能——內(nèi)部芯材在相變過程中恒溫吸熱延緩瞬態(tài)傳熱，提升氣凝膠熱慣性，并且，芯材相變后能夠在特定紅外波段內(nèi)進(jìn)一步提升材料的消光特性，匹配溫升后的紅外光譜特性。

18、進(jìn)一步地，所述消光相變纖維的外徑為4～6μm。

19、進(jìn)一步優(yōu)選地，各層的相變纖維的最優(yōu)外徑為4μm，最佳外徑值由mie散射理論確定。

20、進(jìn)一步地，消光相變纖維的內(nèi)外徑比為0.95，在防止芯材泄露，保證消光性能的同時(shí)最大程度提升延遲瞬態(tài)傳熱的效果。

21、進(jìn)一步地，所述真空封裝殼層材料選擇遮光性能較好的，如sic、tio2、sio2等耐高溫材料。

22、因此，本發(fā)明的“相變纖維”的殼材為耐高溫、具有消光特性的材料，芯體為相變后消光性能提升并可恒溫吸熱的固-液相變材料，以克服高溫下氣凝膠對紅外輻射透過率陡增的缺點(diǎn)。該材料在具有低等效熱導(dǎo)率時(shí)，亦可改善氣凝膠的熱慣性差問題，不僅能夠通過相變纖維的恒溫吸熱來優(yōu)化飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)的短效隔熱性能，也能在相變后進(jìn)一步提升消光性能，在有限厚度內(nèi)改善熱防護(hù)系統(tǒng)的控溫能力。

23、本發(fā)明還公開了上述的摻雜消光相變纖維的紅外光譜調(diào)控氣凝膠真空隔熱板在航空航天熱防護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

25、本發(fā)明公開的摻雜消光相變纖維的紅外光譜調(diào)控氣凝膠真空隔熱板，首先采用高溫下機(jī)械性能更強(qiáng)的al2o3氣凝膠替代傳統(tǒng)的sio2氣凝膠作為芯材填充材料，al2o3氣凝膠由于在高溫環(huán)境中具有更好的機(jī)械性能，結(jié)構(gòu)不易坍塌，比sio2氣凝膠更適用于高溫條件；同時(shí)由真空封裝殼層將氣凝膠芯材封閉在近似真空的環(huán)境中，有效地避免了填充隔熱材料與空氣對流引起的熱傳遞，可大幅度降低導(dǎo)熱系數(shù)；其次，在氣凝膠芯材內(nèi)添加消光相變纖維在提高材料的機(jī)械性能的同時(shí)，能夠代替遮光劑起到優(yōu)異的消光效果，有效避免遮光劑在實(shí)際應(yīng)用中易破碎而帶來的一系列問題，使用消光相變纖維在擁有比傳統(tǒng)sio2、tio2纖維更優(yōu)消光性能的同時(shí)，相變后消光性能進(jìn)一步提升；再者，真空封裝殼層材料選擇耐高溫且具有消光性能的材料，與氣凝膠芯材進(jìn)行配合協(xié)同增效；最后，本發(fā)明的氣凝膠芯材在具有低等效熱導(dǎo)率時(shí)，亦可改善氣凝膠的熱慣性差問題，不僅能夠通過相變纖維的恒溫吸熱來優(yōu)化飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)的短效隔熱性能，也能在相變后進(jìn)一步提升消光性能，在有限厚度內(nèi)改善熱防護(hù)系統(tǒng)的控溫能力。綜上所述，本發(fā)明的真空隔熱板通過將傳統(tǒng)實(shí)心纖維改造為消光相變纖維，解決了現(xiàn)有氣凝膠熱防護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度低、紅外透光強(qiáng)和熱慣性較差等缺點(diǎn)；同時(shí)有效替代遮光劑，避免實(shí)際航天航空應(yīng)用中遮光劑破裂導(dǎo)致的問題；相變引起的結(jié)構(gòu)變化，一方面會提升整體材料的短效隔熱性能，另一方面能夠提升消光性能，在此基礎(chǔ)上利用光譜調(diào)控，使熱防護(hù)系統(tǒng)隔熱性能工程應(yīng)用最大化，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

26、進(jìn)一步地，本發(fā)明基于消光相變纖維相變后消光性能改善和延緩瞬態(tài)傳熱機(jī)制，根據(jù)波段進(jìn)行光譜調(diào)控以期隔熱性能最大化，摻雜的至少三層消光相變纖維依據(jù)溫度集中波峰自短波段開始逐層向長波段設(shè)置，氣凝膠基體材料內(nèi)根據(jù)入射波段進(jìn)行光譜調(diào)控，比傳統(tǒng)摻雜單層相變材料有著更優(yōu)異的隔熱性能。

27、進(jìn)一步地，相變纖維的內(nèi)外徑比為0.95，在防止芯材泄露，保證消光性能的同時(shí)最大程度提升延遲瞬態(tài)傳熱的效果。

28、進(jìn)一步地，氣凝膠中摻雜3層或以上的相變纖維，按照特定70o角度排列，以根據(jù)不同的紅外輻射和材料相變后消光性能提升機(jī)制，光譜選擇性地抑制不同波長段的紅外輻射。實(shí)驗(yàn)證明，特定角度的相變纖維的消光性能優(yōu)于隨機(jī)摻雜的傳統(tǒng)實(shí)心纖維，更能高效抑制輻射傳熱而提升氣凝膠復(fù)合材料的高溫隔熱性能，內(nèi)部芯材在相變過程中恒溫吸熱延緩瞬態(tài)傳熱，提升氣凝膠熱慣性，并且，芯材相變后能夠在特定紅外波段內(nèi)進(jìn)一步提升材料的消光特性，匹配溫升后的紅外光譜特性。