氣凝膠填充金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)隔熱性能試驗(yàn)與模擬

文彥臻 鄧云華 賈 震

1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，沈陽(yáng)，1101362.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100024

0 引言

蜂窩結(jié)構(gòu)以其質(zhì)量小、強(qiáng)度和剛度均較高等諸多優(yōu)點(diǎn),在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。由于蜂窩芯體為中空結(jié)構(gòu)，它與實(shí)體結(jié)構(gòu)相比熱傳導(dǎo)占比更小，具有良好的隔熱性能，因此主要作為熱防護(hù)結(jié)構(gòu)使用。美國(guó)的SR-71超高聲速偵察機(jī)在其翼面、舵面部分均使用了大量的蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)；同時(shí)在可重復(fù)使用的空天飛機(jī)(如X-33、X-37、SANGER)上已大面積應(yīng)用蜂窩面板，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)防熱布局方案向金屬熱防護(hù)系統(tǒng)的過(guò)渡[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)蜂窩隔熱性能開(kāi)展了一系列的研究。SWANN等[4]以導(dǎo)熱問(wèn)題等效了蜂窩內(nèi)傳熱過(guò)程，總結(jié)出了計(jì)算蜂窩當(dāng)量熱導(dǎo)率的半經(jīng)驗(yàn)公式，該公式已被作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)計(jì)算蜂窩結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)問(wèn)題。KAUSHIKA等[5]推導(dǎo)出了一種基于蜂窩芯層為灰體假設(shè)的物理模型，計(jì)算了蜂窩結(jié)構(gòu)的輻射換熱量。COPENHAVER等[6]采用有限元法模擬了蜂窩內(nèi)的輻射導(dǎo)熱耦合換熱。謝宗蕻等[7]在300℃條件下對(duì)鈦合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的隔熱性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了各幾何參數(shù)對(duì)隔熱性能的影響。吳大方等[8]在200～800℃的溫度區(qū)間測(cè)試鎳基金屬蜂窩板結(jié)構(gòu)的隔熱性能，得到該結(jié)構(gòu)的隔熱效率在12%～19%之間。陳勇等[9]提出一種有限元數(shù)值模擬方法用于計(jì)算蜂窩板傳導(dǎo)和輻射耦合傳熱問(wèn)題，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，在高溫條件下若不考慮輻射的影響，計(jì)算誤差便會(huì)顯著增大。樊卓志等[10]利用ANSYS有限元方法模擬研究了金屬蜂窩板的傳熱，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，蜂窩芯內(nèi)部輻射強(qiáng)度迅速增大，輻射換熱量越來(lái)越大。

相關(guān)研究結(jié)果表明，目前有關(guān)1200℃以上溫度下金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的研究報(bào)道較少，無(wú)法滿(mǎn)足在高溫環(huán)境下工作的需求。在高溫的情況下，輻射對(duì)金屬蜂窩隔熱性能的影響更加顯著。隨著溫度的升高，輻射在熱傳遞過(guò)程中的占比逐漸升高。為了進(jìn)一步提高蜂窩結(jié)構(gòu)的隔熱性能，限制蜂窩空腔內(nèi)部的熱輻射，本文提出了一種以高溫合金鈮合金為材料并在其內(nèi)部填充氣凝膠的蜂窩結(jié)構(gòu)，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研制，并對(duì)其隔熱性能進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)與計(jì)算，通過(guò)模擬計(jì)算總結(jié)分析得出不同條件參數(shù)對(duì)蜂窩的隔熱性能影響以及蜂窩的隔熱機(jī)理。

1 鈮合金蜂窩制作

采用軋制成形的方法來(lái)加工瓦楞條，將成形好的瓦楞條通過(guò)點(diǎn)焊的方式連接即可形成蜂窩芯體[11-12]，蜂窩芯體如圖1所示，圖中h為瓦楞條厚度，D為蜂窩內(nèi)徑。

圖1 蜂窩芯格排布及尺寸Fig.1 Configuration and size of honeycomb core

在1300 ℃釬焊溫度、30 min保溫時(shí)間下，采用Nb基釬料對(duì)鈮合金蜂窩進(jìn)行釬焊。本試驗(yàn)使用的Nb基釬料為高溫合金釬料，在1000 ℃的工作溫度下可保證焊縫沒(méi)有缺陷，蜂窩能正常工作。將釬料放置于鈮合金蜂窩與鈮合金面板之間[13]，上下面板厚度均為0.8 mm，鈮合金蜂窩釬焊時(shí)釬料添加示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 鈮合金蜂窩釬焊示意圖Fig.2 Diagram of niobium alloy honeycomb brazing

鈮合金蜂窩釬焊后，采用超聲無(wú)損檢測(cè)的方法對(duì)蜂窩面板/芯體釬焊界面焊合質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。釬焊后鈮合金蜂窩釬焊界面的焊合質(zhì)量超聲無(wú)損檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，可以看出釬焊界面的焊合質(zhì)量?jī)?yōu)良。

圖3 鈮合金蜂窩釬焊界面超聲檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Ultrasonic testing result of niobium alloyhoneycomb brazing interface

2 試驗(yàn)與有限元模型建立

2.1 蜂窩板隔熱性能試驗(yàn)

在填充及不填充氣凝膠兩種工況條件下，對(duì)表1所示幾何尺寸的鈮合金蜂窩板進(jìn)行隔熱性能測(cè)試，試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖4。其中，熱面的升溫過(guò)程為15 min升溫至1000 ℃，然后保溫30 min。

表1 鈮合金蜂窩芯格尺寸(有無(wú)氣凝膠)

圖4 隔熱性能試驗(yàn)示意圖Fig.4 Diagram of thermal insulation performance test

2.2 幾何模型及邊界條件

建立與試驗(yàn)相同尺寸蜂窩板的幾何模型，對(duì)于氣凝膠填充蜂窩的情況，據(jù)蜂窩芯格腔內(nèi)尺寸建立氣凝膠實(shí)體幾何模型。將上下面板、氣凝膠與蜂窩芯體裝配，并劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 鈮合金蜂窩板有限元模型Fig.5 Finite element model of Niobium alloyhoneycomb sandwich panel

設(shè)置整體模型的玻爾茲曼常數(shù)5.67×10-8W/(m2·K4)，設(shè)定絕對(duì)零度-273 ℃。本次模擬的蜂窩芯格及上下面板材料均為Nb521鈮合金，密度為8860 kg/m3，其熱物理性能參數(shù)(熱導(dǎo)率、質(zhì)量熱容)如表2和表3所示[14]。

表2 鈮合金熱導(dǎo)率

表3 鈮合金比熱

氣凝膠采用纖維增強(qiáng)的SiO2復(fù)合氣凝膠，它在高溫下收縮率幾乎沒(méi)有變化，熱導(dǎo)率穩(wěn)定，耐高溫性能優(yōu)異。設(shè)置氣凝膠密度3 kg/m3、質(zhì)量熱容380 kJ/(kg·K)及熱導(dǎo)率0.02 W/(m·K)[15]。

按熱流傳導(dǎo)方向設(shè)置加熱面到蜂窩結(jié)構(gòu)再到散熱面的接觸條件。在不填充氣凝膠的情況下，上面板與下面板、上面板與蜂窩壁、蜂窩壁與下面板之間均有輻射熱量傳遞，即當(dāng)上面板被加熱后，與蜂窩壁及下面板形成溫度差，此時(shí)輻射傳熱路徑不僅發(fā)生在上下面板之間，熱面與蜂窩腔內(nèi)壁以及蜂窩腔內(nèi)壁與冷面之間都會(huì)發(fā)生輻射傳熱過(guò)程[16]?？涨粌?nèi)各表面單位面積的輻射通量的方程為

為了分析不同幾何參數(shù)對(duì)蜂窩板隔熱性能的影響，設(shè)置表4所示的工況進(jìn)行傳熱工程的有限元模擬。

表4 鈮合金蜂窩芯格尺寸(多參數(shù)對(duì)比)

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證

由模擬所得工況A-0.1-12.8-15-a冷面中心的最高溫度為582 ℃，工況A-b-0.1-12.8-15-b冷面中心的最高溫度為442 ℃。兩工況下試驗(yàn)測(cè)得冷面、熱面中心部位溫度隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖6。模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)所出具的測(cè)試報(bào)告相比，誤差在5%以?xún)?nèi)，模擬與試驗(yàn)的溫度曲線對(duì)比如圖7所示。

(a)工況A-0.1-12.8-15-a

(a)工況A-0.1-12.8-15-a

模擬與試驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證了鈮合金蜂窩板填充與不填充氣凝膠隔熱過(guò)程有限元模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)還說(shuō)明鈮合金蜂窩填充氣凝膠后阻斷了蜂窩腔內(nèi)及上下面板間的輻射傳熱，而氣凝膠的熱導(dǎo)率很低、質(zhì)量熱容又較大，可以大幅提高鈮合金蜂窩板在1000 ℃高溫條件下的隔熱能力。

3.2 蜂窩芯格壁厚對(duì)隔熱性能的影響

為了分析芯格壁厚對(duì)隔熱性能的影響，選取A、B、C、D組工況進(jìn)行對(duì)比分析。芯格內(nèi)徑為12.8 mm時(shí)，不同工況下冷面中心溫度隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖8。芯格內(nèi)徑為11.2 mm時(shí)，不同工況下冷面中心溫度隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖9。

圖8 芯格內(nèi)徑12.8 mm時(shí)不同芯格壁厚下的冷面溫度曲線Fig.8 Temperature graph of cold surface under differentcore thicknesses with 12.8 mm core inner diameter

圖9 芯格內(nèi)徑11.2 mm時(shí)不同芯格壁厚下的冷面溫度曲線Fig.9 Temperature graph of cold surface under differentcore thicknesses with 11.2mm core inner diameter

從圖8、圖9中可以再次印證，鈮合金蜂窩填充氣凝膠后蜂窩板整體隔熱性能大幅提高。在填充氣凝膠后，對(duì)于相同蜂窩芯格內(nèi)徑的鈮合金蜂窩，單層壁厚越薄隔熱性能越好。原因是氣凝膠將蜂窩內(nèi)的輻射傳熱隔絕掉后，蜂窩芯格壁金屬的熱傳導(dǎo)是熱量從熱面?zhèn)鬟f到冷面的最主要渠道，芯格壁厚越薄可供傳熱的鈮合金金屬越少，傳遞的熱量也越少，所以冷面溫度也就越低。

在同為不填充氣凝膠且蜂窩芯格內(nèi)徑相同的條件下，單層0.1 mm壁厚和單層0.08 mm壁厚的鈮合金蜂窩的隔熱效果相差不大，在芯格內(nèi)徑12.8 mm條件下，厚壁鈮合金蜂窩的冷面中心溫度僅比薄壁蜂窩的冷面中心溫度低幾度。原因?yàn)椋S著熱面溫度不斷上升，蜂窩芯格腔內(nèi)的輻射傳熱效果越來(lái)越強(qiáng)，在大芯格內(nèi)徑的蜂窩內(nèi)腔中尤甚，從而使0.1 mm與0.08 mm芯格壁厚差帶來(lái)的傳熱差收窄。

3.3 蜂窩芯體高度對(duì)隔熱性能的影響

將鈮合金蜂窩芯體高度增大到30 mm，芯格單層壁厚保持0.1 mm，芯格內(nèi)徑仍為12.8 mm與11.2 mm兩種，選取A、E、C、F組工況進(jìn)行對(duì)比分析。芯格內(nèi)徑為12.8 mm時(shí)，不同工況下冷面中心溫度隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖10。芯格內(nèi)徑為11.2 mm時(shí)，不同工況下冷面中心溫度隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖11。

圖10 芯格內(nèi)徑12.8 mm時(shí)不同芯體高度下的冷面溫度曲線Fig.10 Temperature graph of cold surface under differentcore heights with 12.8 mm core inner diameter

圖11 芯格內(nèi)徑11.2 mm時(shí)不同芯體高度下的冷面溫度曲線Fig.11 Temperature graph of cold surface under differentcore heights with 11.2 mm core inner diameter

從圖10、圖11中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于鈮合金蜂窩，無(wú)論是否填充氣凝膠，在芯體高度增大后，由于冷熱面板之間的距離增大，金屬熱傳導(dǎo)的距離也增大，蜂窩芯格腔內(nèi)的輻射傳熱與芯格壁金屬的熱傳導(dǎo)能力都下降，故蜂窩芯體高度增大后，鈮合金蜂窩板的隔熱性能將增強(qiáng)，因此，芯體高度15 mm的蜂窩填充氣凝膠后的隔熱性能明顯低于將芯體高度增大到30 mm時(shí)蜂窩板的隔熱性能。由于芯體高度的增大還會(huì)使蜂窩內(nèi)腔的輻射效果減弱，因此在未填充氣凝膠的工況對(duì)比中，15 mm芯體高度與30 mm芯體高度的蜂窩板的隔熱性能差也未出現(xiàn)明顯收窄。

3.4 蜂窩芯格內(nèi)徑對(duì)隔熱性能的影響

選取A、C、E、F、B、D組工況進(jìn)行對(duì)比分析，在芯格壁厚以及芯體高度一致的情況下分析蜂窩芯格內(nèi)徑對(duì)隔熱性能的影響，其不同工況下的冷面溫度曲線見(jiàn)圖12。

從圖12中可以得出如下結(jié)論：在填充氣凝膠的情況下，對(duì)于相同芯格壁厚與芯體高度的鈮合金蜂窩，芯格內(nèi)徑12.8 mm工況下的冷面溫度稍低于芯格內(nèi)徑11.2 mm工況下的冷面溫度。原因是芯格內(nèi)徑越小，蜂窩板單位面積內(nèi)的芯格金屬量越多，在填充氣凝膠的情況下，蜂窩腔內(nèi)輻射傳熱被氣凝膠隔絕，熱傳導(dǎo)是熱量從熱面?zhèn)鬟f到冷面的最主要渠道，因此小芯格內(nèi)徑的蜂窩擁有可供傳熱的鈮合金金屬越多，傳遞的熱量也就越多。當(dāng)芯格壁厚相同時(shí)，芯體高度為30 mm的兩種芯格內(nèi)徑之間的冷面溫度差小于芯體高度為15 mm的兩種芯格內(nèi)徑之間的冷面溫度差。這是由于具有更高芯體高度的蜂窩板可減小由芯格內(nèi)徑變化對(duì)整體傳熱的影響，因此冷面溫度差距會(huì)更小。

(a)壁厚0.1 mm、高度15 mm

在不填充氣凝膠的情況下，蜂窩芯格內(nèi)腔的輻射傳熱開(kāi)始起到重要作用。在相同芯格壁厚與芯體高度時(shí)，芯格內(nèi)徑12.8 mm工況下的冷面溫度均比芯格內(nèi)徑11.2 mm工況下的冷面溫度高。在芯體高度15 mm與單層芯格壁厚0.1 mm條件下，較大的芯格內(nèi)徑會(huì)帶來(lái)較大的腔內(nèi)輻射，雖然芯格內(nèi)徑較大的蜂窩板熱傳導(dǎo)量較小，但較大的輻射傳熱抵消了較小芯格內(nèi)徑造成的熱傳導(dǎo)弱化。當(dāng)芯格壁厚減小到0.08 mm后，熱傳導(dǎo)的影響因素進(jìn)一步被弱化，較大內(nèi)徑芯格引起的輻射傳熱量甚至超過(guò)其在熱傳導(dǎo)上的減弱。故在不填充氣凝膠的情況下，芯格內(nèi)徑越大蜂窩隔熱性能反而會(huì)降低。

4 隔熱機(jī)理分析

綜合前述研究，對(duì)鈮合金蜂窩空腔與填充氣凝膠隔熱機(jī)理進(jìn)行分析，其原理圖見(jiàn)圖13。

圖13 鈮合金蜂窩隔熱機(jī)理原理圖Fig.13 Diagram for mechanism of heat transfer inniobium alloy honeycomb sandwich panel

鈮合金蜂窩芯格內(nèi)不填充氣凝膠時(shí)，由于溫度差的存在，除金屬的熱傳導(dǎo)外，金屬表面還會(huì)有從熱面到冷面的輻射傳熱。蜂窩內(nèi)部存在如下輻射路徑的腔內(nèi)輻射傳熱過(guò)程：從熱面板到冷面板；從熱面到蜂窩芯格壁，再?gòu)男靖癖诘嚼涿妗２⑶曳涓C芯格金屬上由于熱傳導(dǎo)的存在會(huì)使靠近熱面的芯格壁快速升溫，擴(kuò)大其與冷面的溫度差，溫度差越大輻射傳熱過(guò)程越劇烈，因此在空腔蜂窩中，輻射傳熱是絕對(duì)不能忽略的。

當(dāng)鈮合金蜂窩芯格填充了氣凝膠后，金屬表面之間的空間被擠占，上下面板以及蜂窩芯格壁直接與氣凝膠接觸，金屬表面間的輻射傳熱被阻隔，僅剩下從熱面通過(guò)蜂窩芯格壁熱傳導(dǎo)到冷面、先從熱面熱傳導(dǎo)到氣凝膠而后傳導(dǎo)到冷面的傳熱途徑和氣凝膠內(nèi)部的輻射傳熱。氣凝膠的熱導(dǎo)率僅為0.02 W/(m·K)，其內(nèi)部的輻射傳熱也很少，通過(guò)氣凝膠傳遞的熱量遠(yuǎn)小于金屬表面輻射傳遞的熱量，因此將氣凝膠填充到芯格腔內(nèi)后可以大幅增強(qiáng)鈮合金蜂窩板的隔熱能力。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析鈮合金蜂窩芯格壁厚、芯體高度與芯格內(nèi)徑對(duì)隔熱性能的影響機(jī)理。

(1)蜂窩芯格壁厚越薄隔熱性能越好。蜂窩芯格壁金屬的熱傳導(dǎo)是熱量從熱面?zhèn)鬟f到冷面的主要渠道，芯格壁厚越薄可供傳熱的鈮合金金屬就越少，傳遞的熱量也越少，因此單層壁厚越薄隔熱性能越好。

(2)蜂窩芯體高度越大隔熱性能越好。在芯體高度增大后，冷熱面板之間的距離會(huì)增大，金屬熱傳導(dǎo)的距離也增大，蜂窩芯格腔內(nèi)的輻射傳熱與芯格壁金屬的熱傳導(dǎo)能力都下降。

以上兩參數(shù)對(duì)隔熱性能的影響趨勢(shì)都在芯體內(nèi)填充氣凝膠后得到加強(qiáng)，不填充氣凝膠時(shí)，由于腔內(nèi)輻射存在交互影響，芯格壁厚對(duì)隔熱性能的影響幅度收窄。

芯格內(nèi)徑對(duì)隔熱性能的影響分為兩種情況(在0.1 mm、0.08 mm芯格壁厚以及11.2 mm、12.8 mm芯格內(nèi)徑條件下)：①填充氣凝膠后，芯格內(nèi)徑越大隔熱性能越好，原因是芯格內(nèi)徑越大，單位面積蜂窩板上可供熱傳導(dǎo)的金屬越少；②蜂窩芯空腔時(shí)，芯格內(nèi)徑越大隔熱性能越差，原因是芯格內(nèi)徑越大腔內(nèi)輻射傳熱越強(qiáng)，尤其在1000 ℃高溫下，輻射傳熱的作用體現(xiàn)得更為明顯。

5 結(jié)論

(1)建立了鈮合金蜂窩板隔熱過(guò)程有限元模型,發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)所得出的測(cè)試報(bào)告曲線相比誤差在5%以?xún)?nèi)。驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。

(2)通過(guò)鈮合金蜂窩隔熱有限元模擬研究發(fā)現(xiàn)，氣凝膠能有效阻隔了蜂窩腔內(nèi)及上、下面板間的輻射傳熱，可大幅提高鈮合金蜂窩板的隔熱能力。芯格壁厚越薄傳遞的熱量也就越少，因此芯格壁厚越薄蜂窩隔熱性能越好。

(3)蜂窩芯體高度增大后，蜂窩芯格腔內(nèi)的輻射傳熱與芯格壁金屬的熱傳導(dǎo)能力都下降，鈮合金蜂窩板的隔熱性能將增強(qiáng)。

(4)芯格內(nèi)徑對(duì)鈮合金蜂窩隔熱性能的影響比較復(fù)雜：填充氣凝膠時(shí)，芯格內(nèi)徑越大隔熱性能越好；當(dāng)蜂窩芯空腔時(shí)，芯格內(nèi)徑越大隔熱性能越差。