基于热电材料的多功能热防护结构

1.本发明属于飞行器热防护领域，尤其涉及一种基于热电材料的多功能热防护结构。


背景技术：

2.一种在大气层中以高超音速（飞行速度≥5ma）飞行的飞行器，在该飞行器前缘及其他关键区域会产生较强的气动热。随着飞行速度的加快，空气温度以马赫数的平方成正比增加，机身大面积温度可达到380-500℃，机身前缘部分温度可能高于1500℃。由于飞行器内部的零器件和材料无法在高温环境下保证正常运行，因此，一个可靠高效的热防护系统是保证飞行器安全飞行的关键。
3.此外，当前飞行器的燃油供给、雷达系统和飞控系统的驱动造成了巨大的电力需求。但飞行器的推进系统不能始终提供轴向工作来驱动发电机工作，导致其电力欠缺。其次，电池相对较低的能量密度会导致长航时的供电系统体积庞大，这对于飞行器来说是不可接受的。


技术实现要素：

4.为克服上述相关技术中的缺陷，本发明提供一种基于热电材料的多功能热防护结构，实现对飞行器热防护，且将飞行器产生的气动热为热源，以其飞行器内侧的温度为热沉，从而实现温差发电，为飞行器提供电力。
5.为达到上述目的，本发明提供一种基于热电材料的多功能热防护结构。所述基于热电材料的多功能热防护结构设置于所述飞行器最外侧，所述基于热电材料的多功能热防护结构包括：第一防护层、第二防护层和功能层。其中，所述第二防护层与所述第一防护层相互平行，且所述第二防护层所在位置的温度低于所述第一防护层所在位置的温度。
6.功能层设置于所述第一防护层和所述第二防护层之间，所述功能层包括保温材料和热电材料层，所述热电材料层被配置为在所述功能层靠近所述第一防护层一侧和所述功能层靠近所述第二防护层一侧的温差驱动下发电。所述保温材料被配置为降低所述功能层靠近所述第一防护层一侧向所述功能层靠近所述第二防护层一侧热传导率。
7.所述热电材料层包括多个阵列布置的热电单元，且所述多个阵列布置的热电单元依次串联。
8.其中，所述热电单元包括：第一p型热电材料、第一n型热电材料、第二p型热电材料和第二n型热电材料。其中，第一n型热电材料与所述第一p型热电材料同层设置，第二p型热电材料设置于所述第一p型热电材料远离所述第一防护层的一侧，且所述第二p型热电材料与所述第一p型热电材料电连接。
9.第二n型热电材料设置于所述第一n型热电材料远离所述第一防护层的一侧，且所述第二n型热电材料与所述第一n型热电材料电连接。
10.或者，所述第二p型热电材料与所述第二n型热电材料电连接，且所述第一p型热电
材料与另一个所述热电单元的第一n型热电材料电连接，所述第一n型热电材料与又一个所述热电单元的第一p型热电材料电连接。
11.优选地，所述第一p型热电材料和所述第一n型热电材料包括最大热电优值发生在500℃~800℃之间的热电材料。
12.优选地，所述第二p型热电材料和所述第二n型热电材料包括最大热电优值发生在25℃到150℃之间的热电材料。
13.优选地，所述保温材料设置于所述第一防护层和所述第二防护层之间。所述保温材料采用绝缘材料，所述保温材料填充至第一防护层、所述第二防护层和所述多个阵列布置的热电单元之间。
14.优选地，所述保温材料包括低导热率的绝缘材料。
15.优选地，所述第一p型热电材料与所述第一n型热电材料采用第一导电片电连接；所述第一导电片的厚度为0.02mm~0.2mm。
16.优选地，所述第二p型热电材料与所述第二n型热电材料采用第二导电片电连接，所述第二导电片的厚度为0.02mm~0.2mm。
17.优选地，所述第一防护层包括耐高温的陶瓷材料或复合材料。
18.优选地，所述第二防护层包括ti-6al-4v合金，且所述第二导电片与所述第二防护层之间设置有绝缘层。
19.本发明的有益效果在于：部分飞行器在飞行过程中，热防护层的温差范围可以达到600k左右，而不同的热电材料的最大热电优值分布在不同温度范围内。因此，第一p型热电材料和第一n型热电材料在飞行器产生的高温段范围内，第二p型热电材料和第二n型热电材料在飞行器产生的低温段（相对于高温段区域的温度低）范围内，可以提高发电效率，同时热电材料的低热导率提升了结构的热防护能力。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
21.图1为本发明的一些相关技术提供的一种结构图；图2为本发明的一些实施例提供的一种结构图；图3为本发明的一些实施例中热电单元的一种布置图；图4为本发明的一些实施例中热电单元的另一种布置图；图5为本发明的一些实施例中热电单元和第一导电片的俯视图；图6为本发明的一些实施例中热电单元和第二导电片的仰视图。
具体实施方式
22.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例
仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
23.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；术语“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.在一些相关技术中，如图1所示，关于基于热电材料的多功能热防护结构的设计甚少，且是关于单热电材料的结构，也就是说，热电材料采用第一p型热电材料和第一n型热电材料，或者采用第二p型热电材料和第二n型热电材料。
27.单热电材料的多功能热防护结构可以包括第一防护层1、第二防护层2以及位于第一防护层和第二防护层之间的单热电材料3，其中，单热电材料3可以是第一p型热电材料和第一n型热电材料或者第二p型热电材料和第二n型热电材料。
28.当然，在温差范围较大的情况下，单热电材料的多功能热防护结构的热-电转化效率相对较低，相应地，第一防护层1表面的温度较高，不利于热防护，且发电效率低，不利于飞行器运行。
29.基于此，如图2所示，本发明的一些实施例提供一种基于热电材料的多功能热防护结构。所述基于热电材料的多功能热防护结构设置于所述飞行器最外侧，所述基于热电材料的多功能热防护结构包括：第一防护层1、第二防护层2和功能层6。其中，所述第二防护层2与所述第一防护层1相互平行，第二防护层2与第一防护层1相互平行是指，第二防护层2任一点与第一防护层1的最小距离一致。
30.所述第二防护层2所在位置的温度低于所述第一防护层1所在位置的温度。
31.功能层6设置于所述第一防护层1和所述第二防护层2之间，所述功能层6包括保温材料5和热电材料层4，所述热电材料层4被配置为在所述功能层6靠近所述第一防护层1一侧和所述功能层6靠近所述第二防护层2一侧的温差驱动下发电；所述保温材料5被配置为降低所述功能层6靠近所述第一防护层1一侧向所述功能层6靠近所述第二防护层2一侧热传导率。
32.热电材料层4设置于所述第一防护层1和所述第二防护层2之间，所述热电材料层4包括多个阵列布置的热电单元41，且所述多个阵列布置的热电单元41依次串联。
33.其中，如图3和图4所示，所述热电单元41包括：第一p型热电材料411、第一n型热电材料412、第二p型热电材料413和第二n型热电材料414。第一n型热电材料412与所述第一p
型热电材料411同层设置，第二p型热电材料413设置于所述第一p型热电材料411远离所述第一防护层1的一侧，且所述第二p型热电材料413与所述第一p型热电材料411电连接。第二n型热电材料413设置于所述第一n型热电材料411远离所述第一防护层1的一侧，且所述第二n型热电材料414与所述第一n型热电材料412电连接。
34.如图3所示，所述第一p型热电材料411与所述第一n型热电材料412电连接，且所述第二p型热电材料413与另一个所述热电单元的第二n型热电材料414电连接，所述第二n型热电材料414与又一个所述热电单元的第二p型热电材料413电连接。
35.或者，如图4所示，所述第二p型热电材料413与所述第二n型热电材料414电连接，且所述第一p型热电材料411与另一个所述热电单元41的第一n型热电材料412电连接，所述第一n型热电材料412与又一个所述热电单元41的第一p型热电材料411电连接。
36.在一些示例中，如图2和图3所示或如图2和图4所示，一种基于热电材料的多功能热防护结构包括依次层叠设置的第一防护层1、热电材料层4和第二防护层2，其中，第一防护层1可以设置于温度相对较高区域，例如靠近飞行器的机身外表面，第二防护层2可以设置于温度相对较低区域，例如靠近飞行器的机身内部，第一防护层1和第二防护层2之间为热电材料层4，热电材料层4吸收热量并转化为电能。
37.热电材料层4可以包括多个阵列布置的热电单元41，其中阵列布置的热电单元41依次串联并对外部传输电力。
38.在一些示例中，如图2、图5和图6所示，其中，图5是第一p型热电材料411和第一n型热电材料412靠近第一防护层的端头指向第二防护层的视图，图6是第二p型热电材料413和第二n型热电材料414靠近第二防护层的端头指向第一防护层的视图。热电单元41为一个基本发电单元，其中，第一p型热电材料411与第二p型热电材料413对接并实现电连接，第一n型热电材料412与第二n型热电材料414对接并实现电连接。第一p型热电材料411和第一n型热电材料412属于高温段热电材料，第二p型热电材料413和第二n型热电材料414属于低温段热电材料，且同一个热电单元41中的第一p型热电材料411和第一n型热电材料412电连接，第二p型热电材料413与另一个热电单元41中的第二n型热电材料414电连接，第二n型热电材料414与又一个热电单元中的第二p型热电材料413电连接。如此，第二n型热电材料414的电子流入第一n型热电材料412，之后进入第一p型热电材料411和第二p型热电材料413产生电流。
39.在另一些示例中，如图3所示，热电单元41的第一p型热电材料411与第二p型热电材料413对接并实现电连接，第一n型热电材料412与第二n型热电材料414对接并实现电连接。第一p型热电材料411和第一n型热电材料412属于高温段热电材料，第二p型热电材料413和第二n型热电材料414属于低温段热电材料，且同一个热电单元41中的第二p型热电材料413和第二n型热电材料414电连接，第一p型热电材料411与另一个热电单元41中的第一n型热电材料412电连接，第一n型热电材料412与又一个热电单元41中的第一p型热电材料411电连接。如此，第一n型热电材料412的电子流入第二n型热电材料414，之后进入第二p型热电材料413和第一p型热电材料411产生电流。
40.在一些实施例中，所述第一p型热电材料和所述第一n型热电材料包括最大热电优值发生在500℃~800℃之间的热电材料。
41.示例性地，第一p型热电材料和第一n型热电材料为高温段热电材料，高温段热电
材料可以采用方钴矿，例如第一p型热电材料可以为ce
0.85
fe
3.5
co
0.5
sb
12
或者snse crystals，第一n型热电材料可以为in
0.26
co4sb
12
或者pbte。其中，第一p型热电材料为ce
0.85
fe
3.5
co
0.5
sb
12
时，第一n型热电材料为in
0.26
co4sb
12
；或者第一p型热电材料为snse crystals时，第一n型热电材料为pbte。
42.其中，第一p型热电材料和第一n型热电材料在垂直于第一防护层和第二防护层相对的方向的距离可以为6mm~8mm，例如可以为6mm、7mm或8mm。且第一p型热电材料和第一n型热电材料在垂直于第一防护层和第二防护层相对的方向上的截面，可以为方形，例如第一p型热电材料和第一n型热电材料的截面的尺寸可以为3
×
3mm2或者2
×
2mm2。
43.在一些实施例中，所述第二p型热电材料和所述第二n型热电材料包括最大热电优值发生在25℃到150℃之间的热电材料。
44.示例性地，第二p型热电材料和第二n型热电材料为低温段热电材料，低温段热电材料可以采用热电材料，例如第二p型热电材料可以为bi2te
3-x
se
x
或者bi2se
0.5
te
2.5
，第二n型热电材料可以为bi
2-x
sb
x
te3或者bi
0.5
sb
1.5
te3。其中，第二p型热电材料为bi2te
3-x
se
x
时，第二n型热电材料为bi
2-x
sb
x
te3；或者第二p型热电材料为bi2se
0.5
te
2.5
时，第二n型热电材料为bi
0.5
sb
1.5
te3。
45.其中，第二p型热电材料和第二n型热电材料在垂直于第一防护层和第二防护层相对的方向的距离可以为6mm~8mm，例如可以为6mm、7mm或8mm。且第一p型热电材料和第一n型热电材料在垂直于第一防护层和第二防护层相对的方向上的截面，可以为方形，例如第一p型热电材料和第一n型热电材料的截面的尺寸可以为3
×
3mm2或者2
×
2mm2。可以理解的是，为降低加工工艺，第一p型热电材料与电连接的第二p型热电材料在垂直于第一防护层和第二防护层相对的方向上的截面，保持一致。
46.在一些实施例中，如图2所示，所述保温材料5设置于所述第一防护层1和所述第二防护层2之间。所述保温材料5采用绝缘材料，所述保温材料5填充至第一防护层1、所述第二防护层2和所述多个阵列布置的热电单元41之间。
47.示例性地，在热电单元41之间填充保温材料5，一方面，保温材料5可以隔绝第一防护层1向第二防护层2的热传导，形成热防护作用，另一方面，保温材料5可以使放置热电单元41区域的温度稳定，也就是说，在设置第一p型热电材料和第一n型热电材料的区域，温度可以保持在500℃~800℃之间，在设置第二p型热电材料和第二n型热电材料的区域，温度可以保持在室温到150℃之间。使得热电单元41能够在最大效率的进行热电转换。
48.在一些实施例中，所述保温材料5包括低导热率的绝缘材料，例如低导热率的绝缘材料可以为saffil氧化铝纤维。可以理解的是，保温材料5基本要求是自重低和低导热系数，例如保温材料5可以采用saffil氧化铝纤维。
49.在一些实施例中，如图5所示，所述第一p型热电材料与所述第一n型热电材料采用第一导电片61电连接，所述第一导电片61的厚度为0.02mm~0.2mm。
50.示例性地，第一p型热电材料和第一n型热电材料靠近第一防护层，在第一p型热电材料和第一n型热电材料靠近第一防护层的端头通过第一导电片61电连接，第一导电片61可以为铜。
51.在一些实施例中，如图6所示，所述第二p型热电材料与所述第二n型热电材料采用第二导电片62电连接，所述第二导电片62的厚度为0.02mm~0.2mm。
52.示例性地，第二p型热电材料和第二n型热电材料靠近第二防护层，在第二p型热电材料和第二n型热电材料靠近第二防护层的端头通过第二导电片62电连接，第二导电片62可以为铜。
53.在一些实施例中，所述第一防护层包括耐高温的陶瓷材料或复合材料。耐高温的陶瓷材料或复合材料可以承受飞行器在超高音速飞行时产生的气动热，其中，第一防护层的厚度可以为5mm。示例性地，陶瓷材料或复合材料例如可以为c/sic、c/c、超高温陶瓷等。
54.在一些实施例中，所述第二防护层包括ti-6al-4v合金，且所述第二导电片与所述第二防护层之间设置有绝缘层。ti-6al-4v合金具有耐高温和耐腐蚀的优点，可以为整个防护结构提供保障，可以提高整体结构的可靠性，其中，第二防护层的厚度可以为5mm。
55.可以理解的是，为防止短路，第二防护层与第二导电片62之间可以设置有绝缘层，例如耐高温绝缘涂层或者绝缘陶瓷板等。
56.整体而言，本发明提供的基于热电材料的多功能热防护结构的总厚度可以为20mm~30mm，例如，基于热电材料的多功能热防护结构的总厚度为20mm、25mm或30mm。
57.在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
58.以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。