[发明专利]一种具有承载和储能控温功能的复合材料结构的成型制备方法

说明书

一种具有承载和储能控温功能的复合材料结构的成型制备方法，它涉及材料领域，本发明要解决解决航空航天领域中的散热材料无法兼具轻质、高承载及高导热特性的问题。本发明设计并研究一种复合材料多功能结构，通过将铜泡沫/PCM复合相变材料加入到碳纤维结构中，使复合材料结构具有高承载，高导热以及高效储能等特性。本发明以卫星应用为背景，利用碳纤维复合材料优异的力学性能提高结构的承载能力，使用铜泡沫来提高整个结构的导热能力，再通过加入铜泡沫/PCM复合相变材料使结构具有储能和温度调节能力。本发明应用于航空航天领域。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及一种具有承载和储能控温功能的复合材料结构的成型制备方法。

背景技术

在航空航天电子设备等轻质电子设备方面，散热材料还要求轻质和具有良好的承载能力。树脂基复合材料因其具有轻质、高比强度和高比刚度等优异性能，已广泛应用于在航空航天飞行器、运动装备、压力容器等领域。连续碳纤维增强树脂基复合材料更是具有高比刚度、高比强度和低热膨胀的特性，使其在航天飞行器和高端电子设备中拥有更为广阔的应用前景。然而，由于碳纤维树脂基复合材料的面内导热性能主要依赖于高导热碳纤维的填充，而高导热碳纤维的成本要远高于普通纤维，难以工程化应用，所以工程上缺少更好的方法来提高其面内导热性能；此外，树脂基体决定着复合材料面外导热性能，由于树脂基体的导热系数很低(只有0.2～0.4W/mK)，所以复合材料面外导热性能往往较差，只有0.6～1.2W/mK；这些因素限制了其在航天器和高端电子设备等领域的应用。

目前复合材料夹芯结构用于散热领域主要有以下三种：

(1)主动散热结构是指通过强制流体对流或者材料相变方式实现散热目的的结构。强制对流方式是工程中最为常用的一种散热方式，研究表明两个参数被用以评价结构散热性能的优劣：传热系数和流体压降。未来航天器的发展要求微电子电路高密度集成化，这使得散热问题变得尤显突出，针对这一问题，卢天健等研究了流体强制对流对多种夹芯结构散热性能的影响，揭示了夹芯结构散热性能与传热系数和流体压降的内在变化规律，并以此为根据优化夹芯结构拓扑，使之成为散热性能优异的主动散热结构。

(2)被动散热结构是指通过对高导热材料在结构内部的优化设计，使之形成高效的导热通路，将热量快速散发出去的结构。被动散热夹芯结构的相关研究工作相对较少，大连理工大学的学者们采用拓扑构型优化理论方法优化设计被动散热结构，发现对于“体-点”式结构而言，最佳的被动散热结构为“树”型结构。但由于拓扑构型复杂以及现有制备技术限制，“树”型被动散热结构的研究成果难以得到工程应用。

通过阐述，目前对于复合材料导热性能提高的研究主要集中在复合材料层合板，对于提高三维复合材料结构导热能力的研究较少。并且在三维层合结构中各部分之间存在较大的界面热阻，这也严重阻碍了结构整体导热能力的提高。

发明内容

本发明的目的是为了解决航空航天领域中的散热材料无法兼具轻质、高承载及高导热特性的问题，而提供一种具有承载和储能控温功能的复合材料结构的成型制备方法。航空航天领域中对结构轻量化和多功能一体化的需求日益迫切，本发明旨在设计和制备出兼具有轻质、高承载及高导热特性的多功能复合材料夹芯结构，并对其导热和基本力学性能展开研究。

本发明的一种具有承载和储能控温功能的复合材料结构的成型制备方法，它是按照以下步骤进行的：

1)多层板的制备：按照预先铺设方案将多个单层预浸料铺放在一起，形成多层板；

2)多层板固化：在铺设好的多层板上下放置两块钢板，采用热压罐或者真空辅助成型工艺固化多层板；

3)多层板的切割：待多层板固化完成后，使用雕刻机将复合材料切割成所需尺存的矩形板；

4)铜泡沫与板粘接：将胶膜粘贴在切割好的复合材料板与铜泡沫之间，再次使用热压罐或者真空辅助成型工艺固化，得铜泡沫/碳纤维复合材料；