一种有序堆积相变热防护层

技术领域

本发明涉及热防护技术领域，具体涉及一种需要在高、低温环境下工作的系统。

背景技术

在国防、汽车和石油勘探系统等应用中，电子设备的工作环境通常为极高、低温的恶劣环境。然而，温度是影响电子设备性能的重要环境条件，过高的温度会导致电子设备关键部件失效甚至损坏，而在过低的温度下电池等部件的功率和能量密度会降低。因此，解决恶劣环境下电子设备的热防护问题，对于提高电子设备的可靠性至关重要。目前的热防护层主要使用低导热系数的玻璃棉、有机泡沫和气凝胶等隔热材料，依靠材料自身的低导热系数阻碍热量的传递。但在高热流密度和高温恶劣环境下，隔热材料的温度不断升高，无法发挥长期有效的热防护性能。因此，使用蓄热材料吸收高温环境中的热量，控制电子设备的温度是实现热防护的关键。现有的蓄热技术主要有三种，包括显热存储、潜热存储和热化学存储。其中潜热存储系统具有储能密度高、温度变化小等特点，已经被成功应用于太阳能热利用、工业余热回收、建筑节能、电子设备热管理等方面。然而，在传统的相变材料的储热阶段，因密度的差异与浮升力作用，固态工质吸热变为液态并向上运动，容器内部产生自然对流可促进热量的传递，这不利于热防护的实施；另一方面，当隔热面积较大时，难于保证隔热的均匀性，局部的漏热会对仪器、部件产生恶劣影响。因此，需要开发一种热防护层，既含有大量隔热材料，可阻碍热量的传递，又含有相变储能材料，且隔热均匀，可吸收高温环境中的热量延长有效热防护时间。而且在国防、汽车和石油勘探系统这些特定使用条件中，设备通常会面临震动、冲击、摇摆等问题，需要对热防护层内部进行结构优化，在满足热防护的前提下保证一定的机械性能。

专利CN108582922A所公开的一种相变复合热防护层，通过使用特定结构将相变材料与隔热材料相结合，层层削弱外部的产生的热量，从而实现热防护效果。该专利提出了将相变材料与隔热材料相结合的思路，但相变材料未封装易导致膨胀，且无相变材料排布相关描述，与本专利有序堆积结构及均匀隔热的设计方法不相同。

专利CN111409208A所公开的一种耐烧蚀、低导热复合结构绝热层及其制备方法，通过对各种材料的配比调控和原位发泡技术，获得多孔橡胶隔热材料。该专利提出了增加隔热层内部开孔的思路，但未有使用蓄热材料吸收热量，且无相变材料排布相关描述，与本专利有序堆积结构及均匀隔热的设计方法不相同。

专利CN113603470A所公开的一种耐高温抗辐射夹层热防护材料及其制备方法，通过将气凝胶隔热芯层材料与铝溶胶搭配，实现耐高温和抗辐射的效果。该专利提出了将气凝胶隔热芯层材料进行打孔和疏水化处理的方式，但未有使用蓄热材料吸收热量的描述，与本专利有序堆积结构及均匀隔热的设计方法不相同。

专利CN113562202A所公开的一种基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，通过将点阵夹芯结构和相变材料搭配，充分吸收外部的热量，从而实现热防护的效果。该专利提出了使用相变材料吸收外部热量的思路，但在相变材料内部没有阻碍热量传递的措施，与本专利有序堆积结构及均匀隔热的设计方法不相同。

专利CN113601922A所公开的一种金属点阵增强烧蚀夹层板结构，通过将金属点阵作为骨架并将相变材料填充于夹层板中，实现承力和防热的效果。该专利提出了使用点阵结构搭配相变材料的防热方式，但在相变材料内部没有阻碍热量传递的措施，与本专利有序堆积结构及均匀隔热的设计方法不相同。

专利CN103344147A所公开的一种相变储能装置，通过将高导热系数的低熔点金属和高潜热值的石蜡相变单元结合，实现热量的高效存储。该专利提出了封装石蜡的思路，但装置中没有对相变单元进行具体排布，与本专利有序堆积结构及均匀隔热的设计方法不相同。

专利US2007290392A1所公开的一种气凝胶与相变材料的复合结构，通过将气凝胶和封装相变材料混合，实现热防护的效果。该专利提出了气凝胶搭配封装相变材料的思路，但没有对封装相变胶囊进行具体排布，内部材料随机分布且缺少隔热骨架作为支撑，与本专利有序堆积结构及均匀隔热的设计方法不相同。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种包括封装壳、多层多孔骨架、相变胶囊和气凝胶颗粒的有序堆积相变热防护层。该热防护层可应用于高、低温以及带有震动、冲击的恶劣环境，通过多孔骨架阻碍热量的传递，同时减小外部冲击带来的形变避免损坏内部材料，使用相变胶囊吸收传入热防护层的热量，进一步提升热防护性能。

本发明解决上述问题的技术方案是：

提供一种有序堆积相变热防护层，其特征在于：包括内、外两层封装壳、多层多孔骨架、相变胶囊和气凝胶颗粒；封装壳分为内、外两层，由多层低导热系数的隔板组成，对热防护层材料进行一体化封装，多层隔板选用不同材质，材质为金属或尼龙高分子合成材料，将内部设备和外部环境分离；多孔骨架最外层紧贴外层封装壳的内表面，自外层封装壳向内层封装壳沿径向间隔布置；多层多孔骨架间隔布置至少三层，两层之间留有间隙，相变胶囊嵌设于多孔骨架的孔内，在两层多孔骨架之间的间隙中也布设有相变胶囊；相变胶囊在骨架内和间隙内沿周向、径向、轴向呈有序的堆积排布，相变胶囊的内部填充具有吸热和放热功能的相变介质；气凝胶颗粒呈现粉末状且颗粒尺寸、形状不同，填充于有序堆积相变胶囊、多孔骨架及封装壳空间的间隙中，以尽量减少空气所占空间。

优选方案进一步包括如下任一技术特征：

所述封装壳分为内、外两层，由多层低导热系数的隔板组成，对热防护层材料进行一体化封装，多层隔板选用不同材质，材质为金属或尼龙高分子合成材料，隔板的内、外部喷刷热反射涂层。

所述多孔骨架外形轮廓与所述封装壳的隔板相同，材质为尼龙、聚醚醚酮等高分子合成材料，内部具有蜂窝状、闭式长链结构的多孔有序空间，多孔骨架的孔隙率和孔密度可呈现均匀或非均匀布置，每一多孔骨架中的孔自外向内径向布置多层。

所述气凝胶颗粒呈现粉末状，颗粒形状可不同，导热系数低于0.03W/(m·K)，填充于有序堆积的相变胶囊、多孔骨架及外壳的间隙，减少辐射传热影响。

所述相变胶囊的特征长度大于4mm，尺寸和形状不受限制，可为球形或卵状椭圆形等，且堆积于多孔骨架中，有序的堆积形态包括以其重心为参考，构成的正四面体、六面体、体心立方等，胶囊之间互相堆积的缝隙内填充气凝胶。

所述相变胶囊外壳为尼龙、聚醚醚酮等高分子合成材料，厚度为0.5-1mm内部填充导热系数低的脂类相变工质，如：石蜡、硬脂酸甘油酯等，并为体积膨胀留有一定的空气间隙。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明提供的一种有序堆积相变热防护层，其封装壳分为内、外两层，对热防护层材料进行一体化封装，同时将内部设备与外部环境分离，可保证热防护层具有一定的抗冲击能力，隔板的内、外部涂刷热反射涂层，可初步降低外部热辐射的影响；其多孔骨架外形轮廓与外层封装壳的隔板相同，最外层紧贴外层封装壳的内表面，内部具有蜂窝状、闭式长链结构的多孔有序空间，多孔骨架的孔隙率和孔密度可呈现均匀或非均匀布置，自外层封装壳向内层封装壳沿径向间隔布置，可大大延长热量的传递路径，阻碍外部热量向内部的传递，同时具有抗冲击性能，起到减小形变避免损坏内部相变胶囊的作用；其相变胶囊内部填充导热系数低的脂类相变工质，外壳由高分子合成材料封装形成，可阻碍相变材料熔化后的对流换热效果，同时兼顾热防护层对于吸热和隔热的要求；相变胶囊尺寸不同，为球形或卵状椭圆形，且在多孔骨架内、外两侧规则排布，内嵌于多孔骨架内的相变胶囊可吸收孔状结构内部传递的热量，增强多孔骨架的隔热性能；在两层多孔骨架之间的间隙中也布设有相变胶囊，相变胶囊在骨架内和间隙内沿周向、径向、轴向呈有序的堆积排布，形成热吸收层；相变胶囊之间堆积形成的间隙内填充气凝胶，可进一步阻碍热量向内部的传递；其气凝胶颗粒呈现粉末状，颗粒形状可不同，填充于有序堆积的相变胶囊、多孔骨架及外壳的间隙，减少间隙内辐射传热影响，且气凝胶颗粒的导热系数低于0.03W/(m·K)，可进一步阻碍热量的传递；在所述热防护层内布置多组多孔骨架和相变胶囊堆积层，相比于现有的热防护层，同时兼顾吸热和隔热两方面的要求，阻碍了外部热量向内部的传递，削弱了相变材料在吸热过程中的传热速率，有效提升了热防护性能，同时，其多孔骨架具有抗冲击的效果，起到减小形变避免损坏内部相变胶囊的作用。

附图说明

图1是本发明有序堆积相变热防护层的二维整体结构示意图。

图2是本发明有序堆积相变热防护层的三维整体示意图。

图3是本发明有序堆积相变热防护层多孔骨架的二维结构示意图。

图4是本发明有序堆积相变热防护层多孔骨架的三维结构示意图。

图5是本发明有序堆积相变热防护层相变胶囊结构示意图。

图6是模拟高温环境中使用不同热防护措施下圆管内壁的温升曲线。

附图标记说明：

1-封装壳； 2-多孔骨架； 3-相变胶囊；

4-气凝胶颗粒； 5-高分子合成外壳； 6-相变工质；

具体实施方式

图1-图6是本发明提供的有序堆积相变热防护层各部分结构示意图。

下面结合附图对本发明进行具体描述。一种有序堆积相变热防护层，其整体结构由封装壳1、多孔骨架2、相变胶囊3和气凝胶颗粒4组成。封装壳1由分为内、外两层，由多层低导热系数的隔板组成，对热防护层材料进行一体化封装，多层隔板选用不同材质，材质为金属或尼龙高分子合成材料，将内部设备与外部环境分离，可保证热防护层具有一定的抗冲击能力，隔板的内、外部涂刷热反射涂层，可初步降低外部热辐射的影响；多孔骨架2外形轮廓与封装壳1的隔板相似，其最外层紧贴外层封装壳1的内表面，内部具有似蜂窝状、闭式长链结构的多孔有序空间，多孔骨架2的孔隙率和孔密度可呈现均匀或非均匀布置，自外层封装壳1向内层封装壳沿径向间隔布置多层，可大大延长热量的传递路径，阻碍外部热量向内部的传递，同时具有抗冲击性能，起到减小内部相变胶囊3形变，避免损坏的作用；相变胶囊3内部填充导热系数低的脂类相变工质6，外壳由高分子合成材料5封装形成，可阻碍相变工质6熔化后的对流换热效果，同时兼顾热防护层对于吸热和隔热的要求；相变胶囊3尺寸不同，为球形或卵状椭圆形，且在多孔骨架2内、外两侧规则排布，内嵌于多孔骨架2内的相变胶囊3可吸收孔状结构内部传递的热量，增强多孔骨架2的隔热性能；在两层多孔骨架2之间的间隙中也布设有相变胶囊3，相变胶囊3在骨架内和间隙内沿周向、径向、轴向呈有序的堆积排布，形成热吸收层，相变胶囊3之间堆积形成的间隙内填充气凝胶4，可进一步阻碍热量向内部的传递；气凝胶颗粒4呈现粉末状，颗粒形状可不同，填充于有序堆积的相变胶囊3、多孔骨架2及封装壳1的间隙，减少间隙内辐射传热的影响，且气凝胶颗粒4的导热系数低于0.03W/(m·K)，可进一步阻碍热量的传递；在所述热防护层内布置多组多孔骨架2和相变胶囊3堆积层，相比于现有的热防护层，同时兼顾吸热和隔热两方面的要求，阻碍了外部热量向内部的传递，削弱了相变材料在吸热过程中的传热速率，有效提升了热防护性能，同时，其多孔骨架具有抗冲击的效果，起到减小形变避免损坏内部相变胶囊的作用。

图6为使用不同层数多孔骨架2和相变胶囊3作为热防护层时，在100℃的高温外环境下的模拟结果，示出了隔热层内壁的温升曲线。仅使用一层多孔骨架2作为热防护层时，内壁温度上升的速率较快，说明多孔骨架2作为支撑部件，主要起到抗冲击的效果；在将多孔骨架2与相变胶囊3结合后，内壁温度的上升趋势明显降低，且由于相变工质6的相变吸热作用，内壁的温度可以长时间控制在相变工质6的熔点附近；再次添加一层多孔骨架2后，内壁温度的上升趋势进一步降低，体现出多孔骨架2的隔热性能，且随着多孔骨架2和相变胶囊3层数的增加，热防护效果不断提升。

优选的，封装壳1由多个隔板组成，隔板的形状为平直或弧形，材质选用金属或尼龙等高分子合成材料，隔板内、外部喷刷热反射涂层。

优选的，多孔骨架2外形轮廓与封装壳1的隔板相同，材质为尼龙等高分子合成材料，内部具有蜂窝状、闭式长链结构的多孔有序空间，多孔骨架2的孔隙率和孔密度可呈现均匀或非均匀布置，每一多孔骨架2中的孔自外向内径向布置多层。

优选的，气凝胶颗粒4呈现粉末状，颗粒形状可不同，导热系数低于0.03W/(m·K)，填充于有序堆积的相变胶囊3、多孔骨架2及封装壳1的间隙中。

优选的，相变胶囊3尺寸不受限制，特征长度大于4mm，可为球形或卵状椭圆形等，且堆积于多孔骨架2中，有序的堆积形态包括以其重心为参考，构成的正四面体、六面体、体心立方等，胶囊之间互相堆积形成的间隙内填充气凝胶4。

优选的，相变胶囊3的高分子合成外壳5材质可为尼龙、聚醚醚酮等，厚度为0.5-1mm内部填充导热系数低的石蜡等脂类相变工质6，并为体积膨胀留有一定的空气间隙。

本发明未对有序堆积相变热防护层中所述多孔骨架的具体形状、个数以及排布方式进行详细描述，未对相变胶囊的尺寸和具体堆积方式进行详细描述。本发明的实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。