[发明专利]仿毛细血管丛的Al芯/Al2O3基陶瓷鞘自愈合复合泡沫防热结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及航空航天领域可重复使用高温热防护材料用的一种模仿毛细血管丛的相变吸热、高温自愈合Al芯/Al2O3基陶瓷鞘复合泡沫结构及其制备方法。 

发明背景 

航天器的再入飞行环境情况是非常的极端和苛刻。要承受至少15分钟，温度高达2000K的环境考验顺利返回，对航天器的热防护系统提出了更加严格的要求。然而，存在着多种因素有可能对防热材料结构造成破坏。例如在地面操作中的碰撞、航天器发射时落下的冰块或其他物体以及在空间中的微流星和空间碎片的撞击等等，都会导致对防热材料结构造成破坏。在极其恶劣的航天器再入环境下，哪怕是防热结构中的一个极微小的裂缝或孔洞，都会导致整个防热系统的失效，进而造成巨大的灾难和损失。2003年2月，美国哥伦比亚号航天飞机在返回地球过程中失事，所有机组成员全部遇难，令全世界震惊。而造成这一灾难的“罪魁祸首”正是航天飞机增强碳碳复合材料防热结构中的一处破损。其后，美国航空航天局以及欧洲航空航天局先后开展了仿生自愈合材料与机理的研究。 

在诸多种类材料中，树脂基复合材料的裂纹自愈合研究进展最快。目前树脂基复合材料的裂纹自愈合研究即将从微胶囊、空心纤维预贮修复介质和固化剂的第一代自愈合结构进入模仿毛细血管丛的第二代自愈合结构研究阶段，树脂基复合材料第二代自愈合结构的研究已开始启动。 

陶瓷基复合材料的自愈合行为与树脂基复合材料的有很大不同。首先，陶瓷基复合材料的服役温度远高于树脂基复合材料；其次，树脂基自愈合材料中的修复介质需要和固化剂相遇才能发生交联固化而自愈合，而陶瓷自愈合往往通过其中某些活性组分的高温氧化来实现；而且陶瓷基复合材料制备温度高，制备难度大。因而，国内外陶瓷材料中裂纹高温自愈合研究远远落后于树脂基自愈合材料， 目前尚处于起步阶段。当前为数不多的陶瓷材料自愈合研究也多局限于在增强碳碳复合材料中添加SiC、B4C以及MoSi2微纳米颗粒，通过微纳米颗粒氧化形成SiO2等来愈合增强碳碳材料中的微裂纹，以及TiC/Si3N4、Mullite/ZrO2/SiCp复相陶瓷材料中由于微纳米颗粒所引起的裂纹愈合行为研究。尚无第一代、第二代自愈合结构应用到陶瓷材料，特别是陶瓷基热防护材料中应用的报道。近年来随着我国神舟系列航天飞机的陆续发射以及载人航天技术的日益成熟，实现航天器重复使用及保障航天器和宇航员安全返回，自愈合结构在包括刚性泡沫陶瓷防热瓦在内的陶瓷基热防护材料中应用研究显得尤为迫切。 

据此，本发明在陶瓷高温热防护材料中引入第二代自愈合结构，提出一种模仿毛细血管丛结构的相变吸热、高温自愈合Al芯/Al2O3基陶瓷鞘开孔仿生复合泡沫结构，并提供制备方法。 

中国专利ZL87106360.3《生产泡沫陶瓷的方法》曾采用开孔泡沫铝为原料，通过高温热氧化法，在Al熔化前，能够在原料开孔泡沫Al金属枝杈的表面形成一层Al2O3基陶瓷支持涂层，当泡沫体被加热到高于Al熔点时，该支持涂层能够大致保持开放式泡沫结构的完整性，并使熔化的Al并进一步发生氧化反应，从而增加支持涂层的厚度，最终形成具有Al芯/Al2O3基陶瓷鞘复合开孔网状泡沫结构。但由于高温熔融的Al在冷却过程中的液态收缩和凝固收缩，会使得凝固后的Al芯不能填满Al2O3基陶瓷鞘中的孔道，导致该泡沫结构力学性能离散性较大。该方法不适合于制备本用途的Al芯/Al2O3基陶瓷鞘开孔仿生复合泡沫结构。 

而近年来微弧氧化技术的问世，为Al、Ti、Mg等金属表面合成保护性的致密的氧化物陶瓷膜提供了新的思路，即通过微等离子体氧化是将Al、Ti、Mg等金属或其合金置于电解质溶液中，施以高电压，利用电物理和电化学等复合工艺使材料表面产生火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和电化学共同下，在工件表面生成耐蚀耐磨陶瓷膜层的方法。这种方法得到的膜层与基体结合力强，极大地改善了铝合金工件表面的耐磨、耐蚀性能。但目前针对开孔泡沫铝，采用微弧氧化法制备Al芯/Al2O3基陶瓷鞘复合开孔网状泡沫结构尚无报道。 

发明内容 

本发明针对航天器再入热环境的苛刻要求，在陶瓷高温热防护材料中引入第二代自愈合结构，提出一种模仿毛细血管丛结构的相变吸热、高温自愈合Al芯/Al2O3基陶瓷鞘开孔仿生复合泡沫结构，并提供制备方法。