文彥臻 鄧云華 賈 震

1.沈陽航空航天大學航空宇航學院，沈陽，1101362.中國航空制造技術研究院航空焊接與連接技術航空科技重點實驗室，北京，100024

0 引言

蜂窩結構以其質量小、強度和剛度均較高等諸多優(yōu)點,在航空航天領域得到了廣泛應用[1-2]。由于蜂窩芯體為中空結構，它與實體結構相比熱傳導占比更小，具有良好的隔熱性能，因此主要作為熱防護結構使用。美國的SR-71超高聲速偵察機在其翼面、舵面部分均使用了大量的蜂窩夾層板結構；同時在可重復使用的空天飛機(如X-33、X-37、SANGER)上已大面積應用蜂窩面板，實現了從傳統(tǒng)防熱布局方案向金屬熱防護系統(tǒng)的過渡[3]。

國內外學者針對蜂窩隔熱性能開展了一系列的研究。SWANN等[4]以導熱問題等效了蜂窩內傳熱過程，總結出了計算蜂窩當量熱導率的半經驗公式，該公式已被作為一個標準模型來計算蜂窩結構的熱傳導問題。KAUSHIKA等[5]推導出了一種基于蜂窩芯層為灰體假設的物理模型，計算了蜂窩結構的輻射換熱量。COPENHAVER等[6]采用有限元法模擬了蜂窩內的輻射導熱耦合換熱。謝宗蕻等[7]在300℃條件下對鈦合金蜂窩夾層結構的隔熱性能進行試驗研究，分析了各幾何參數對隔熱性能的影響。吳大方等[8]在200～800℃的溫度區(qū)間測試鎳基金屬蜂窩板結構的隔熱性能，得到該結構的隔熱效率在12%～19%之間。陳勇等[9]提出一種有限元數值模擬方法用于計算蜂窩板傳導和輻射耦合傳熱問題，并進行了實驗驗證，結果表明，在高溫條件下若不考慮輻射的影響，計算誤差便會顯著增大。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)現隨著溫度的升高，蜂窩芯內部輻射強度迅速增大，輻射換熱量越來越大。

相關研究結果表明，目前有關1200℃以上溫度下金屬蜂窩夾層結構的研究報道較少，無法滿足在高溫環(huán)境下工作的需求。在高溫的情況下，輻射對金屬蜂窩隔熱性能的影響更加顯著。隨著溫度的升高，輻射在熱傳遞過程中的占比逐漸升高。為了進一步提高蜂窩結構的隔熱性能，限制蜂窩空腔內部的熱輻射，本文提出了一種以高溫合金鈮合金為材料并在其內部填充氣凝膠的蜂窩結構，對該結構進行了研制，并對其隔熱性能進行了相關的試驗與計算，通過模擬計算總結分析得出不同條件參數對蜂窩的隔熱性能影響以及蜂窩的隔熱機理。

1 鈮合金蜂窩制作

采用軋制成形的方法來加工瓦楞條，將成形好的瓦楞條通過點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保溫時間下，采用Nb基釬料對鈮合金蜂窩進行釬焊。本試驗使用的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，鈮合金蜂窩釬焊時釬料添加示意圖見圖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，采用超聲無損檢測的方法對蜂窩面板/芯體釬焊界面焊合質量進行檢測。釬焊后鈮合金蜂窩釬焊界面的焊合質量超聲無損檢測結果如圖3所示，可以看出釬焊界面的焊合質量優(yōu)良。

圖3 鈮合金蜂窩釬焊界面超聲檢測結果Fig.3 Ultrasonic testing result of niobium alloyhoneycomb brazing interface

2 試驗與有限元模型建立

2.1 蜂窩板隔熱性能試驗

在填充及不填充氣凝膠兩種工況條件下，對表1所示幾何尺寸的鈮合金蜂窩板進行隔熱性能測試，試驗示意圖見圖4。其中，熱面的升溫過程為15 min升溫至1000 ℃，然后保溫30 min。

表1 鈮合金蜂窩芯格尺寸(有無氣凝膠)

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

2.2 幾何模型及邊界條件

建立與試驗相同尺寸蜂窩板的幾何模型，對于氣凝膠填充蜂窩的情況，據蜂窩芯格腔內尺寸建立氣凝膠實體幾何模型。將上下面板、氣凝膠與蜂窩芯體裝配，并劃分網格，網格如圖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

設置整體模型的玻爾茲曼常數5.67×10-8W/(m2·K4)，設定絕對零度-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(熱導率、質量熱容)如表2和表3所示[14]。

表2 鈮合金熱導率

表3 鈮合金比熱

氣凝膠采用纖維增強的SiO2復合氣凝膠，它在高溫下收縮率幾乎沒有變化，熱導率穩(wěn)定，耐高溫性能優(yōu)異。設置氣凝膠密度3 kg/m3、質量熱容380 kJ/(kg·K)及熱導率0.02 W/(m·K)[15]。

按熱流傳導方向設置加熱面到蜂窩結構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，即當上面板被加熱后，與蜂窩壁及下面板形成溫度差，此時輻射傳熱路徑不僅發(fā)生在上下面板之間，熱面與蜂窩腔內壁以及蜂窩腔內壁與冷面之間都會發(fā)生輻射傳熱過程[16]?？涨粌雀鞅砻鎲挝幻娣e的輻射通量的方程為

為了分析不同幾何參數對蜂窩板隔熱性能的影響，設置表4所示的工況進行傳熱工程的有限元模擬。

表4 鈮合金蜂窩芯格尺寸(多參數對比)

3 結果與分析

3.1 模擬結果及試驗驗證

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 ℃。兩工況下試驗測得冷面、熱面中心部位溫度隨時間的變化曲線見圖6。模擬數據與實際試驗所出具的測試報告相比，誤差在5%以內，模擬與試驗的溫度曲線對比如圖7所示。

(a)工況A-0.1-12.8-15-a

(a)工況A-0.1-12.8-15-a

模擬與試驗的對比驗證了鈮合金蜂窩板填充與不填充氣凝膠隔熱過程有限元模型的準確性。同時還說明鈮合金蜂窩填充氣凝膠后阻斷了蜂窩腔內及上下面板間的輻射傳熱，而氣凝膠的熱導率很低、質量熱容又較大，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 蜂窩芯格壁厚對隔熱性能的影響

為了分析芯格壁厚對隔熱性能的影響，選取A、B、C、D組工況進行對比分析。芯格內徑為12.8 mm時，不同工況下冷面中心溫度隨時間的變化曲線見圖8。芯格內徑為11.2 mm時，不同工況下冷面中心溫度隨時間的變化曲線見圖9。

圖8 芯格內徑12.8 mm時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 芯格內徑11.2 mm時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，對于相同蜂窩芯格內徑的鈮合金蜂窩，單層壁厚越薄隔熱性能越好。原因是氣凝膠將蜂窩內的輻射傳熱隔絕掉后，蜂窩芯格壁金屬的熱傳導是熱量從熱面?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。原因為，隨著熱面溫度不斷上升，蜂窩芯格腔內的輻射傳熱效果越來越強，在大芯格內徑的蜂窩內腔中尤甚，從而使0.1 mm與0.08 mm芯格壁厚差帶來的傳熱差收窄。

3.3 蜂窩芯體高度對隔熱性能的影響

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，芯格內徑仍為12.8 mm與11.2 mm兩種，選取A、E、C、F組工況進行對比分析。芯格內徑為12.8 mm時，不同工況下冷面中心溫度隨時間的變化曲線見圖10。芯格內徑為11.2 mm時，不同工況下冷面中心溫度隨時間的變化曲線見圖11。

圖10 芯格內徑12.8 mm時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 芯格內徑11.2 mm時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，對于鈮合金蜂窩，無論是否填充氣凝膠，在芯體高度增大后，由于冷熱面板之間的距離增大，金屬熱傳導的距離也增大，蜂窩芯格腔內的輻射傳熱與芯格壁金屬的熱傳導能力都下降，故蜂窩芯體高度增大后，鈮合金蜂窩板的隔熱性能將增強，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時蜂窩板的隔熱性能。由于芯體高度的增大還會使蜂窩內腔的輻射效果減弱，因此在未填充氣凝膠的工況對比中，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明顯收窄。

3.4 蜂窩芯格內徑對隔熱性能的影響

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

從圖12中可以得出如下結論：在填充氣凝膠的情況下，對于相同芯格壁厚與芯體高度的鈮合金蜂窩，芯格內徑12.8 mm工況下的冷面溫度稍低于芯格內徑11.2 mm工況下的冷面溫度。原因是芯格內徑越小，蜂窩板單位面積內的芯格金屬量越多，在填充氣凝膠的情況下，蜂窩腔內輻射傳熱被氣凝膠隔絕，熱傳導是熱量從熱面?zhèn)鬟f到冷面的最主要渠道，因此小芯格內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。當芯格壁厚相同時，芯體高度為30 mm的兩種芯格內徑之間的冷面溫度差小于芯體高度為15 mm的兩種芯格內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徑變化對整體傳熱的影響，因此冷面溫度差距會更小。

(a)壁厚0.1 mm、高度15 mm

在不填充氣凝膠的情況下，蜂窩芯格內腔的輻射傳熱開始起到重要作用。在相同芯格壁厚與芯體高度時，芯格內徑12.8 mm工況下的冷面溫度均比芯格內徑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，較大的芯格內徑會帶來較大的腔內輻射，雖然芯格內徑較大的蜂窩板熱傳導量較小，但較大的輻射傳熱抵消了較小芯格內徑造成的熱傳導弱化。當芯格壁厚減小到0.08 mm后，熱傳導的影響因素進一步被弱化，較大內徑芯格引起的輻射傳熱量甚至超過其在熱傳導上的減弱。故在不填充氣凝膠的情況下，芯格內徑越大蜂窩隔熱性能反而會降低。

4 隔熱機理分析

綜合前述研究，對鈮合金蜂窩空腔與填充氣凝膠隔熱機理進行分析，其原理圖見圖13。

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

鈮合金蜂窩芯格內不填充氣凝膠時，由于溫度差的存在，除金屬的熱傳導外，金屬表面還會有從熱面到冷面的輻射傳熱。蜂窩內部存在如下輻射路徑的腔內輻射傳熱過程：從熱面板到冷面板；從熱面到蜂窩芯格壁，再從芯格壁到冷面。并且蜂窩芯格金屬上由于熱傳導的存在會使靠近熱面的芯格壁快速升溫，擴大其與冷面的溫度差，溫度差越大輻射傳熱過程越劇烈，因此在空腔蜂窩中，輻射傳熱是絕對不能忽略的。

當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，僅剩下從熱面通過蜂窩芯格壁熱傳導到冷面、先從熱面熱傳導到氣凝膠而后傳導到冷面的傳熱途徑和氣凝膠內部的輻射傳熱。氣凝膠的熱導率僅為0.02 W/(m·K)，其內部的輻射傳熱也很少，通過氣凝膠傳遞的熱量遠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后可以大幅增強鈮合金蜂窩板的隔熱能力。

在此基礎上進一步分析鈮合金蜂窩芯格壁厚、芯體高度與芯格內徑對隔熱性能的影響機理。

(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增大，金屬熱傳導的距離也增大，蜂窩芯格腔內的輻射傳熱與芯格壁金屬的熱傳導能力都下降。

以上兩參數對隔熱性能的影響趨勢都在芯體內填充氣凝膠后得到加強，不填充氣凝膠時，由于腔內輻射存在交互影響，芯格壁厚對隔熱性能的影響幅度收窄。

芯格內徑對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芯格內徑條件下)：①填充氣凝膠后，芯格內徑越大隔熱性能越好，原因是芯格內徑越大，單位面積蜂窩板上可供熱傳導的金屬越少；②蜂窩芯空腔時，芯格內徑越大隔熱性能越差，原因是芯格內徑越大腔內輻射傳熱越強，尤其在1000 ℃高溫下，輻射傳熱的作用體現得更為明顯。

5 結論

(1)建立了鈮合金蜂窩板隔熱過程有限元模型,發(fā)現模擬結果與物理實驗所得出的測試報告曲線相比誤差在5%以內。驗證了有限元模型的準確性。

(2)通過鈮合金蜂窩隔熱有限元模擬研究發(fā)現，氣凝膠能有效阻隔了蜂窩腔內及上、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，蜂窩芯格腔內的輻射傳熱與芯格壁金屬的熱傳導能力都下降，鈮合金蜂窩板的隔熱性能將增強。

(4)芯格內徑對鈮合金蜂窩隔熱性能的影響比較復雜：填充氣凝膠時，芯格內徑越大隔熱性能越好；當蜂窩芯空腔時，芯格內徑越大隔熱性能越差。