一种榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构及其制备方法，所述热防护结构为一种高温非烧蚀、可重复使用热防护结构，属于航空航天飞行器技术领域。

背景技术

高速飞行器在大气层飞行时，高速物体壁面与大气分子之间由于撞击、摩擦效应会产生高温高速气体(也称气动加热效应)，从而加热飞行器表面危害到飞行器的结构安全。为了克服气动加热效应的不利影响，高速飞行器一般需要设计专门部件来进行防护，一般将该类用于飞行器气动加热防护的专门材料或结构称为飞行器热防护系统。盖板式防热结构是高速飞行器常用的热防护系统之一，通常由高温防热盖板层、低导热隔热材料层、应变隔离层以及各层之间的连接件构成。高温防热盖板层主要抵御高温气流的传热效应及冲刷等力学载荷作用，低导热隔热材料层主要用于有效隔绝、阻碍盖板的热量传输至结构内部，应变隔离层主要用于协调外部材料高温应变和内部机体冷结构之间的变形协调，连接件的主要作用是将高温防热盖板层和低导热隔热材料层连接成具有一定高温机械载荷要求的有效整体。上述各部分功能组件组合安装后即为盖板防热结构，根据具体环境下的表面物理化学状态和温度响应情况选择盖板及隔热材料种类及各层厚度，可以满足高速飞行器在不同飞行条件下的气动热防护需求。

然而，传统盖板式防热结构存在如下缺陷：

(1)、传统盖板式防热结构高温防热盖板层和低导热隔热材料层之间的连接件通常由高温强度较高的陶瓷或金属材料构成，该类材料的导热能力远高于低导热隔热材料，导致连接件自身及其周围区域易于传热造成“热短路”，从而形成局部“热点”，降低了整体结构的防热性能。

(2)、传统盖板式防热结构的连接部件需要固定或穿越高温防热盖板和低导热隔热材料层，破坏了防热盖板和隔热材料的结构整体性，降低了材料的整体强度；对于陶瓷类盖板和隔热材料，连接件的螺纹等结构形成局部加工损伤并产生应力集中，易于造成陶瓷材料脆性断裂。

(3)、传统盖板式防热结构的零件数目多，整体件组装过程复杂，连接有效性检查检验周期长，维护维修困难；另外，连接件加工难度大、周期长且成本高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构及其制备方法，实现盖板式防热结构的无连接件组装，解决连接件结构造成的局部“热短路”，有效降低盖板防热结构的零件数量，生产成本和安装、维护以及维修难度。

本发明解决技术的方案是：一种榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构，该热防护结构包括表面防热盖板、隔热材料固定组件和N块隔热材料活动组件，N大于等于2；

N块隔热材料活动组件与表面防热盖板采用榫卯方式活动连接，隔热材料固定组件塞入各个隔热材料活动组件与表面防热盖板之间共同形成的空隙内部，用于最终将隔热材料活动组件与表面防热盖板限位固定，构成盖板式热防护主体结构。

上述盖板式热防护结构还包括应变隔离垫和冷结构面板；

盖板式热防护主体结构与应变隔离垫之间通过第一粘接胶层粘接；应变隔离垫与冷结构面板之间通过第二粘接胶层粘接。

所述表面防热盖板为一端开口带有空腔的盒状结构，开口端周边设有朝向开口中心的翻边卷口；各个隔热材料活动组件结构相同，每个隔热材料活动组件外沿面预留与表面防热盖板卷口匹配的凹槽，各隔热材料活动组件从表面防热盖板开口端伸入到表面防热盖板空腔内，表面防热盖板卷口插入隔热材料活动组件的凹槽内，隔热材料活动组件沿卷口向外滑动直到与表面防热盖板相抵，最后，各个隔热材料活动组件与表面防热盖板之间共同形成一空隙，隔热材料固定组件塞入该空隙，构成盖板式热防护主体结构。

所述表面防热盖板采用碳/碳、碳/碳化硅、碳化硅/碳化硅、不锈钢、镍基高温合金、铌基高温合金、钼基难熔金属、钨基难熔金属或超高温陶瓷复合材料制成。

所述隔热材料活动组件和隔热材料固定组件采用玻璃纤维多孔隔热材料、石英纤维多孔隔热材料、氧化锆纤维多孔隔热材料、莫来石纤维多孔隔热材料或混杂纤维多孔隔热材料制成。

所述应变隔离垫采用SiO

本发明的另一个技术方案是：一种榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构的制备方法，该方法包括如下步骤：

S1、制备表面防热盖板、N个隔热材料活动组件；所述表面防热盖板为一端开口带有空腔的盒状结构，开口端周边设有朝向开口中心的翻边卷口；各个隔热材料活动组件结构相同，每个隔热材料活动组件外沿面预留与表面防热盖板卷口匹配的凹槽。

S2、将表面防热盖板放置安装台，将各隔热材料活动组件从表面防热盖板开口端伸入到表面防热盖板空腔内，表面防热盖板卷口插入隔热材料活动组件的凹槽内，隔热材料活动组件沿卷口向外滑动直到与表面防热盖板相抵，各个隔热材料活动组件与表面防热盖板之间共同形成一空隙；

S3、根据空隙大小和形状，制备隔热材料固定组件，将隔热材料固定组件塞入该空隙，各个隔热材料活动组件与表面防热盖板之间共同形成的空隙内部，最终将隔热材料活动组件与表面防热盖板限位固定，构成盖板式热防护主体结构；

S4、在盖板式热防护主体结构表面刷涂第一粘接胶层，将应变隔离垫(5)黏贴固定在盖板式热防护主体结构上；

S5、在应变隔离垫的表面刷涂第二粘接胶层，将冷结构面板黏贴固定在应变隔离垫上；

S6、将粘接好铝板冷结构的组件再次放入烘箱中使胶层固化，获得榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构。

所述表面防热盖板选用先进性陶瓷先驱体浸渍裂解(PIP)再进行化学气相浸渗(CVI)一体化成型工艺制备。

所述表面防热盖板采用碳/碳、碳/碳化硅、碳化硅/碳化硅、不锈钢、镍基高温合金、铌基高温合金、钼基难熔金属、钨基难熔金属或超高温陶瓷复合材料制成。

所述隔热材料活动组件和隔热材料固定组件采用玻璃纤维多孔隔热材料、石英纤维多孔隔热材料、氧化锆纤维多孔隔热材料、莫来石纤维多孔隔热材料或混杂纤维多孔隔热材料制成。

所述应变隔离垫采用SiO

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明表面防热盖板、隔热材料活动组件、隔热材料固定组件之间采用榫卯式连接安装方法，消除了螺栓/螺母或螺钉的连接方式中连接件导致的“热短路”造成的局部漏热，显著提高了防热结构的整体隔热效率。如典型实施案例应用情况下，本发明可有效降低防热结构背面温度约56℃。

(2)本发明由隔热材料活动组件、隔热材料固定组件与表面防热盖板构成的盖板式热防护主体结构，有效隔绝了热量，使得盖板式热防护主体结构与冷结构面板之间可以采用应变隔离垫两边涂覆高温胶的连接方式，避免使用了机械连接结构；

(3)、本发明取消了部件机械连接件，大幅减少了组件的数量。如典型实施案例应用情况下，相较传统的盖板式螺栓连接热防护结构，榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构的组件数量可以由18件减少到9件，生产周期短、成本低和维护维修方便。

附图说明

图1为本发明实施例翻边卷口结构表面防热盖板；

图2为本发明实施例可活动安装的隔热部件；

图3为本发明实施例隔热材料固定组件；

图4为本发明实施例第一粘接胶层；

图5为本发明实施例应变隔离垫；

图6为本发明实施例第二粘接胶层；

图7为本发明实施例冷结构面板；

图8(a)为本发明实施例安装步骤1固定表面防热盖板1；

图8(b)为本发明实施例安装步骤2装入活动隔热部件2A1；

图8(c)为本发明实施例安装步骤3活动隔热部件2A1安装到位；

图8(d)为本发明实施例安装步骤4装入活动隔热部件2A2；

图8(e)为本发明实施例安装步骤5活动隔热部件2A2安装到位；

图8(f)为本发明实施例安装步骤6装入活动隔热部件2B1；

图8(g)为本发明实施例安装步骤7活动隔热部件2B1安装到位；

图8(h)为本发明实施例安装步骤8装入活动隔热部件2B2；

图8(i)为本发明实施例安装步骤9活动隔热部件2B2安装到位；

图8(j)为本发明实施例安装步骤10装入隔热材料固定组件3；

图8(k)为本发明实施例安装步骤11隔热材料固定组件3安装到位；

图8(l)为本发明实施例安装步骤12在隔热材料上刷涂第一粘接胶层4；

图8(m)为本发明实施例安装步骤13第一粘接胶层4刷涂完毕；

图8(n)为本发明实施例安装步骤14在第一粘接胶层表面粘贴应变隔离垫5；

图8(o)为本发明实施例安装步骤15在变隔离垫5上刷涂第二粘接胶层6；

图8(p)为本发明实施例安装步骤16第二粘接胶层6刷涂完毕；

图8(q)为本发明实施例安装步骤17在第二粘接胶层6上粘接冷结构面板7；

图8(r)为本发明实施例安装步骤18冷结构面板7粘接完成；

图9为本发明实施例榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构整体效果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供了一种榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构，该热防护结构包括应变隔离垫5和冷结构面板7、表面防热盖板1、隔热材料固定组件和N块隔热材料活动组件；N大于等于2。

N块隔热材料活动组件与表面防热盖板1采用榫卯方式活动连接，隔热材料固定组件3塞入各个隔热材料活动组件与表面防热盖板1之间共同形成的空隙内部，用于最终将隔热材料活动组件与表面防热盖板1限位固定，构成盖板式热防护主体结构。

盖板式热防护主体结构与应变隔离垫5之间通过第一粘接胶层4粘接；应变隔离垫5与冷结构面板7之间通过第二粘接胶层6粘接。

所述表面防热盖板1为一端开口带有空腔的盒状结构，开口端周边设有朝向开口中心的翻边卷口；各个隔热材料活动组件结构相同，每个隔热材料活动组件外沿面预留与表面防热盖板1卷口匹配的凹槽，各隔热材料活动组件从表面防热盖板1开口端伸入到表面防热盖板1空腔内，表面防热盖板1卷口插入隔热材料活动组件的凹槽内，隔热材料活动组件沿卷口向外滑动直到与表面防热盖板1相抵，最后，各个隔热材料活动组件与表面防热盖板1之间共同形成一空隙，隔热材料固定组件3塞入该空隙，构成盖板式热防护主体结构。

所述表面防热盖板1采用碳/碳、碳/碳化硅、碳化硅/碳化硅、不锈钢、镍基高温合金、铌基高温合金、钼基难熔金属、钨基难熔金属或超高温陶瓷复合材料制成。

所述隔热材料活动组件和隔热材料固定组件采用玻璃纤维多孔隔热材料、石英纤维多孔隔热材料、氧化锆纤维多孔隔热材料、莫来石纤维多孔隔热材料或混杂纤维多孔隔热材料制成。

所述应变隔离垫5采用SiO

本发明还提供了一种榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构的制备方法，该方法包括如下步骤：

S1、制备表面防热盖板1、N个隔热材料活动组件；所述表面防热盖板1为一端开口带有空腔的盒状结构，开口端周边设有朝向开口中心的翻边卷口；各个隔热材料活动组件结构相同，每个隔热材料活动组件外沿面预留与表面防热盖板1卷口匹配的凹槽。

S2、将表面防热盖板1放置安装台，将各隔热材料活动组件从表面防热盖板1开口端伸入到表面防热盖板1空腔内，表面防热盖板1卷口插入隔热材料活动组件的凹槽内，隔热材料活动组件沿卷口向外滑动直到与表面防热盖板1相抵，各个隔热材料活动组件与表面防热盖板1之间共同形成一空隙；

S3、根据空隙大小和形状，制备隔热材料固定组件3，将隔热材料固定组件3塞入该空隙，各个隔热材料活动组件与表面防热盖板1之间共同形成的空隙内部，最终将隔热材料活动组件与表面防热盖板1限位固定，构成盖板式热防护主体结构；

S4、在盖板式热防护主体结构表面刷涂第一粘接胶层4，将应变隔离垫5黏贴固定在盖板式热防护主体结构上；

S5、在应变隔离垫5的表面刷涂第二粘接胶层6，将冷结构面板7黏贴固定在应变隔离垫5上；

S6、将粘接好铝板冷结构的组件再次放入烘箱中使胶层固化，获得榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构。

实施例：

本发明的某一具体实施例给出了一种榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构包括：表面防热盖板1、隔热材料活动组件2、隔热材料固定组件3、第一粘接胶层4、应变隔离垫5、第二粘接胶层6、冷结构面板7；隔热材料活动组件2包括4块隔热材料活动组件。4块隔热材料活动组件分别记为：第一隔热材料活动组件2A1、第二隔热材料活动组件2A1、第三隔热材料活动组件2B1、第四隔热材料活动组件2B2。

如图1所示,表面防热盖板1为一端开口带有空腔的方形盒状结构，开口端周边设有朝向开口中心的翻边卷口,翻边结构可用于防热盖板阵列之间的密封，卷口设计用于固定下层的隔热材料。表面防热盖板1材料可以是以下材料：碳/碳、碳/碳化硅、碳化硅/碳化硅、不锈钢、镍基高温合金、铌基高温合金、钼基难熔金属、钨基难熔金属和超高温陶瓷复合材料等。

如图2所示，所述表面防热盖板1为方形盒状结构，N为4，4块隔热材料活动组件分别记为第一隔热材料活动组件2A1、第二隔热材料活动组件2A1、第三隔热材料活动组件2B1、第四隔热材料活动组件2B2；

第一隔热材料活动组件2A1、第二隔热材料活动组件2A1结构相同，位于方形盒状结构相对的两个角上，为截面为直角等腰三角形的柱形结构，截面两直角边所在的侧面刻有与表面防热盖板1角上卷边匹配的凹槽；

第三隔热材料活动组件2B1、第四隔热材料活动组件2B2结构相同，位于方形盒状结构相对的另外两个角上；第三隔热材料活动组件2B1、第四隔热材料活动组件2B2截面为五边形，其中两条边相互平行，第三条边位于相互平行的两条边的一侧，与相互平行的两条边垂直，另两条边相交形成直角，位于相互平行的两条边另一侧；形成直角的两条边和与之相连的相互平行两条边刻有与表面防热盖板1角上卷边匹配的凹槽。安装后，第三隔热材料活动组件2B1和第四隔热材料活动组件2B2相互平行的两条边卡在第一隔热材料活动组件2A1、第二隔热材料活动组件2A1底边之间，第三隔热材料活动组件2B1和第四隔热材料活动组件2B2、第一隔热材料活动组件2A1、第二隔热材料活动组件2A1和表面防热盖板1底部之间留有一个长方体空隙。

隔热材料组件所用隔热材料可以是以下材料：玻璃纤维多孔隔热材料、石英纤维多孔隔热材料、氧化锆纤维多孔隔热材料、莫来石纤维多孔隔热材料以及混杂纤维多孔隔热材料。

每个隔热材料活动组件外沿面预留与表面防热盖板1夹角处卷口匹配的凹槽，各隔热材料活动组件从表面防热盖板1开口端伸入到表面防热盖板1空腔内，表面防热盖板1卷口插入隔热材料活动组件的凹槽内，隔热材料活动组件沿卷口向外滑动直到与表面防热盖板1相抵，最后，第一隔热材料活动组件2A1、第二隔热材料活动组件2A1位置相对，第三隔热材料活动组件2B1、第四隔热材料活动组件2B2位置相对，第一隔热材料活动组件2A1、第二隔热材料活动组件2A1、第三隔热材料活动组件2B1、第四隔热材料活动组件2B2与表面防热盖板1之间共同形成一长方体形状的空隙，，所述隔热材料固定组件3为长方体结构，用于塞入该空隙，构成盖板式热防护主体结构。如图2所示，隔热材料固定组件3为长方体形状的结构块。隔热材料活动组件3、隔热材料固定组件2的尺寸、组成数量可以根据结构特点自行设计。

盖板式热防护主体结构与应变隔离垫5之间采用第一粘接胶层4连接。如图4、图5所示。

机身冷结构7与应变隔离垫5之间采用第二粘接胶层6连接。如图6、图7所示。

第一隔热材料活动组件2A1、第二隔热材料活动组件2A2、第三隔热材料活动组件2B1、第四隔热材料活动组件2B2和隔热材料固定组件3的尺寸根据隔热材料实际成型工艺设计柔性设计，尺寸关系满足无干涉安装即可。即：保障组件第一隔热材料活动组件2A1、第二隔热材料活动组件2A2安装滑入无干涉，第三隔热材料活动组件2B1与第一隔热材料活动组件2A1、第二隔热材料活动组件2A2安装滑入无干涉，第四隔热材料活动组件2B2与第三隔热材料活动组件2B1、第一隔热材料活动组件2A1、第二隔热材料活动组件2A2安装滑入无干涉。

工作原理：

完成表面防热盖板1、隔热材料活动组件2、隔热材料固定组件3和应变隔离垫5的设计、制备与加工后，准备高温胶用于第一粘接胶层4、第二粘结胶层6制备。如图8(a)所示，首先将表面防热盖板1放置安装台；将第一隔热材料活动组件2A1、第二隔热材料活动组件2A2、第三隔热材料活动组件2B1、第四隔热材料活动组件2B2依次滑动装入翻边卷边表面盖板，如图8(b)～图8(h)所示；最后塞入隔热材料固定组件3，形成整体结构，如图8(i)所示。表面防热盖板与隔热结构组件构成无连接组件的防隔热整体，消除了由于连接结构“短路”传热造成的局部“热点”，防热效率显著提高；面板与隔热材料无机加工孔、螺纹等易于造成材料损伤的结构，整体力学性能显著提高。

完成表面防热盖板1、隔热材料活动组件2和隔热材料固定组件3组装完成后，在隔热材料活动组件2和隔热材料固定组件3刷涂第一粘接胶层4，安装固定应变隔离垫5，再次刷涂第二粘结胶层6，最后将整体结构安装固定在冷结构面板7上，安装过程如图8(i)-图8(q)所示，最后的盖板式热防护结构安装示意图如图8(r)和图9所示。上述所有结构组件均避免使用了螺钉或螺栓连接结构，应变隔离垫5起到协调盖板、隔热材料高温结构与机身冷结构之间的应变。

本发明相较传统盖板式热防护结构，去除了盖板结构与承力结构之间的连接组件，消除了由于连接结构导热作用对防热结构整体绝热性能的损害，减少了盖板防热结构的总体零件数量且保持了面板结构与隔热材料的结构整体性，从而有效提高了盖板式热防护结构的防热效率，也保障了整体结构安全性，同时降低了生产成本并提高了结构可维护维修性能。

上述榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构的制备方法如下：

1)选用先进行陶瓷先驱体浸渍裂解(PIP)后进行化学气相浸渗(CVI)一体化成型工艺制备含翻边卷口结构的碳/碳化硅(C/SiC)表面防热盖板1，材料当量密度约1900kg/m3。翻边卷口结构C/SiC防热盖板壁厚2.5mm，外形尺寸200mm×200mm×25mm。

2)采用无压烧结工艺制备了Al

3)按照图8.B-图8.I所示的组装步骤，以此在C/SiC防热盖板1中安装第一隔热材料活动组件2A1、第二隔热材料活动组件2A2、第三隔热材料活动组件2B1、第四隔热材料活动组件2B2和隔热材料固定组件3形成盖板式热防护主体结构。

4)选取RTV-560粘接胶，在盖板式热防护主体结构上刷涂厚度1.5mm胶层。所有材料在涂覆粘接胶之前均需作除油、脱水处理。

5)选取厚度200mm×200mm×2.0mm的SiO

6)将粘接好铝板冷结构的组件再次放入烘箱中使胶层固化，烘箱工作参数设定为100℃加热15分钟。获得200mm×200mm×34mm外形尺寸的榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构。

本实施例将榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构放置电弧风洞中开展防热性能考核实验，风洞试验的主要参数为：热流密度1MW/m

该试验条件下的监测温度响应情况表明，榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构的最高背面温升为126℃，传统螺栓连接盖板式防热结构的最高背面温升为182℃，本发明的榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构最高温升降低约56℃。

上述表面防热盖板、盖板式热防护主体结构、机身冷结构面板可以是平面结构，也可以是根据实际使用要求规定的各类曲面结构，使得榫卯式无螺钉螺栓盖板式热防护结构不仅适用于方形结构等规则体，也可以是多变、曲面或异形结构。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。