(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111579598.0 (22)申请日 2021.12.2 2 (71)申请人 中国航天空气动力技 术研究院 地址 100074 北京市丰台区云岗西路17号 (72)发明人 高俊杰　邓代英　俞继军　韩海涛　 罗晓光　刘文君　 (74)专利代理 机构 中国航天科技专利中心 11009 专利代理师 陈鹏 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/15(2020.01) G06F 17/10(2006.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 针对防热材料考虑微结构演化的热导率确 定方法及系统 (57)摘要 一种针对防热材料考虑微结构演化的热导 率确定方法及系统， 本发明针对航天飞行器中使 用的低密度热解类防热材料， 基于防热材料微结 构特征的观测结果， 建立传热特性的理论分析模 型， 考虑原始材料与炭化后材料的物 性参数的差 别， 引入热解程度α来考虑热解过程中微结构以 及物性参数的演化规律， 从而对原始材料层、 炭 化层及热解中间状态的等效热导率进行预测； 对 材料热解后形成的碳化层， 考虑烧蚀过程中的孔 隙率等微结构演化对传热过程的影 响规律， 从而 得到低密度防热材料热解及烧蚀引起的微结构 演化过程对 模型等效热导 率的影响规 律。 权利要求书2页 说明书8页 附图4页 CN 114491941 A 2022.05.13 CN 114491941 A 1.一种针对防热 材料考虑微结构 演化的热导 率确定方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 1)依据防热材料的整体密度、 微球密度、 基体密度、 纤维密度、 基体质量分数、 微球质量 分数和纤维质量分数， 确定防热材料的孔隙率， 以及微球、 基体和纤维分别在防热材料中的 体积分数； 2)由孔隙、 微球和基体三者组成微球尺度模型， 根据步骤1)中得到的孔隙率及微球、 基 体在防热 材料中的体积分数， 得到微球、 基 体在微球尺度模型中的体积分数； 3)对防热 材料进行微结构扫描观测， 获得防热 材料微结构图像； 4)根据步骤3)获得的防热材料微结构图像， 对微结构的组成及分布规律进行分析， 获 得传热机制和传热路径； 5)根据步骤4)获得的传热机制和传热路径， 并根据步骤2)中微球、 基体在微球尺度模 型中的体积分数， 建立 微球尺度的理论传热模型； 6)利用步骤5)获得的微球尺度的理论传热模型， 采用热阻串并联理论， 获得微球尺度 理论传热模型对应的防热材料随热解过程变化的等效热导率， 以及防热材料随烧蚀过程变 化的等效热导 率； 7)根据步骤1)中所述纤维在防热材料中的体积分数， 根据步骤4)获得的传热机制和传 热路径， 并将步骤6)获得的等效热导率作为输入， 建立纤维尺度的理论传热模型， 获得防热 材料随热解过程变化的等效热导率预测结果以及防热材料随烧蚀过程变化的等效热导率 预测结果。 2.根据权利要求1所述的一种针对防热材料考虑微结构演化的热导率确定方法， 其特 征在于， 微球尺度的理论传热模型为立方体结构， 微球在立方体中心， 基体等效为六根相同 的圆柱结构， 圆柱结构的一端与微球相接， 另一端分别位于立方体模 型的六个面上， 且位于 立方体模型内切圆的球面上。 3.根据权利要求2所述的一种针对防热材料考虑微结构演化的热导率确定方法， 其特 征在于， 微球及基体在立方体模型中的体积分数与步骤2)中微球、 基体在微球尺度模型中 的体积分数一 致。 4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种针对防热材料考虑微结构演化的热导率确 定方法， 其特 征在于， 对防热 材料进行微结构扫描电镜观测， 具体为： 31)首先对防热 材料进行切片， 超声清洗、 烘干处 理， 得到材 料样品； 32)将材料样品放在喷金仪上进行喷金处 理； 33)将喷金后的材料样品放在扫描电镜中进行观测， 调整材料样品在镜头下的位置， 得 到防热材料微结构图像。 5.一种针对防热材料考虑微结构演化的热导率确定系统， 其特征在于， 包括： 样品制备 及观测模块、 微结构分析模块、 模型生成模块和等效热导 率预测模块； 样品制备及观测模块： 对防热 材料进行微结构扫描观测， 获得防热 材料微结构图像； 微结构分析模块： 根据样品制备及观测模块获得的防热材料微结构图像， 对微结构的 组成及分布规律进行分析， 获得传热机制和传热路径； 同时， 确定微球、 基体在微球尺度模 型中的体积分数， 确定纤维在防热 材料中的体积分数； 模型生成模块： 根据微结构分析模块获得的传热机制和传热路径， 并根据微结构分析 模块确定的微球、 基体在微球尺度模型中的体积分数， 建立微球尺度的理论传热模型； 根据权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114491941 A 2微结构分析模块 获得的传热机制和传热路径， 根据微结构分析模块确定的纤维在防热材料 中的体积分数， 并根据等效热导率预测模块 获得的微球尺度理论传热模型对应的防热材料 随热解过程变化的等效热导率， 以及防热材料随烧蚀过程变化的等效热导率， 建立纤维尺 度的理论传热模型； 等效热导率预测模块： 根据模型生成模块建立的微球尺度的理论传热模型， 获得微球 尺度理论传热模型对应的防热材料随热解过程变化的等效热导率， 以及防热材料随烧蚀过 程变化的等效热导率； 根据模型生成模块建立的纤维尺度的理论传热模型， 获得防热材料 随热解过程变化的等效热导率预测结果以及防热材料随烧蚀过程变化的等效热导率预测 结果。 6.根据权利要求5所述的一种针对防热材料考虑微结构演化的热导率确定系统， 其特 征在于， 样品制备及观测模块对防热 材料进行微结构扫描电镜观测， 具体为： 31)首先对防热 材料进行切片， 超声清洗、 烘干处 理， 得到材 料样品； 32)将材料样品放在喷金仪上进行喷金处 理； 33)将喷金后的材料样品放在扫描电镜中进行观测， 调整材料样品在镜头下的位置， 得 到防热材料微结构图像。 7.根据权利要求6所述的一种针对防热材料考虑微结构演化的热导率确定系统， 其特 征在于， 微结构分析模块确定微球、 基 体在微球尺度模型中的体积分数， 具体为： 根据防热材料的整体密度、 微球密度、 基体密度、 纤维密度、 基体质量分数、 微球质量分 数和纤维质量分数， 确定防热材料的孔隙率， 并确定微球、 基体 分别在防热材料中的体积分 数； 由孔隙、 微球和基体三者组成微球尺度模型， 根据孔隙率及微球、 基体在防热材料中的 体积分数， 得到微球、 基 体在微球尺度模型中的体积分数。 8.根据权利要求6所述的一种针对防热材料考虑微结构演化的热导率确定系统， 其特 征在于， 微结构分析模块确定纤维在防热材料中的体积分数具体为： 根据防热材料 的整体 密度、 纤维密度、 纤维质量分数， 确定纤维在防热 材料中的体积分数。 9.根据权利要求6所述的一种针对防热材料考虑微结构演化的热导率确定系统， 其特 征在于， 模型生 成模块建立的微球尺度的理论传热模型具体为： 立方体结构， 微球在立方体 中心， 基体等效为六根相同的圆柱结构， 圆柱结构的一端与微球相接， 另一端分别位于立方 体模型的六个面上， 且位于立方体模型内切圆的球面上。 10.根据权利要求9所述的一种针对防热材料考虑微结构演化的热导率确定系统， 其特 征在于， 微球及基体在立方体模型中的体积分数与微球、 基体在微球尺度模型中的体积分 数一致。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114491941 A 3