[發明專利]樹脂基防熱材料碳化層高溫動態熱導率測量裝置和方法

有效

• 申請號: 201710382637.5
• 申請日: 2017-05-26
• 公開（公告）號: CN107121452B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 劉娜;楊馳;張利嵩;應偉;那偉;曹宇清;景昭;石寶麗;梁歡;徐瑩;陳政偉;王菲;高瑩瑩;孔維萱
• 申請（專利權）人: 北京航天長征飛行器研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 臧春喜

1.測量樹脂基防熱材料碳化層高溫動態熱導率的方法，其特征在于：、

所用測量裝置包括石英燈(1)、隔熱裝置(2)、多層溫度測量裝置、加熱電源(7)、計算機系統(8)和溫度采集裝置(9)；

多層溫度測量裝置包括溫度測量塞(4)、測溫傳感器(5)和熱電偶線(6)，溫度測量塞(4)由兩個半圓柱體拼接而成，內壁上開有n個凹槽，所述n個凹槽中任意兩個均不在同一圓周上，每個凹槽中布置有測溫傳感器(5)，使溫度測量塞(4)具有n個測溫層；熱電偶線(6)連接在測溫傳感器(5)的兩端，并從溫度測量塞(4)伸出；

石英燈(1)位于隔熱裝置(2)上方；待測樣品(3)和多層溫度測量裝置均位于隔熱裝置(2)內部，溫度測量塞(4)固定在待測樣品(3)內部，且溫度測量塞(4)外表面與待測樣品(3)通過密封膠固定連接，熱電偶線(6)穿過待測樣品(3)并經隔熱裝置(2)底部的通孔伸出；加熱電源(7)的一端與計算機系統(8)的一端連接，加熱電源(7)的另一端與石英燈(1)連接；計算機系統(8)的另一端與溫度采集裝置(9)的一端連接；溫度采集裝置(9)的另一端與熱電偶線(7)連接；

利用上述測量裝置的測量方法如下：

1)打開加熱電源，溫度采集裝置(9)通過熱電偶線(6)實時采集每個測溫傳感器(5)的溫度，并輸出給計算機系統(8)；

2)計算機系統(8)根據溫度采集裝置(9)的輸出數據，獲得0-t_f秒內，待測樣品每一層的溫度歷程，其中待測樣品的第m層溫度是指溫度測量塞(4)第m層凹槽中測溫傳感器測得的溫度值，m值為從1到n的自然數，n為溫度測量塞(4)的層數；

3)建立如下目標函數：

其中J為最小時計算得到的待測樣品碳化層熱導率即為實際待測樣品碳化層熱導率；

式中，為待測樣品第t秒時第m層的溫度，T(x_m,t)為待測樣品第t秒時第m層的溫度計算值，x_m為溫度測量塞(4)第m層與第1層之間的距離；

利用如下方程組計算第t秒第一層與第n層之間任意一層的溫度T：

其中，x為第一層與第n層之間任意一層與第1層之間的距離，x＝x_n時，x＝x₁時，0s時任意層的溫度T(x,0)＝T₀；ρ_s和C_s分別為第t秒時防熱材料的密度和比熱；ρ_g和C_g分別為第t秒時熱解氣體的密度和比熱，分別為第t秒時熱解氣體的單位面積質量流量和生成率；ΔH_P為第t秒時樹脂基防熱材料中樹脂的分解熱，k_s為第t秒時樹脂基防熱材料的熱導率。

2.如權利要求1所述測量樹脂基防熱材料碳化層高溫動態熱導率的方法，其特征在于：所述溫度測量塞(4)采用與待測樣品(3)相同的材料制成。

3.根據權利要求1所述測量樹脂基防熱材料碳化層高溫動態熱導率的方法，其特征在于：第t秒時樹脂基防熱材料熱導率的確定方法如下：

ρ_s大于樹脂基防熱材料原始密度0.9倍的區域，為原始區，該區域k_s＝k_v，k_v為樹脂基防熱材料的原始熱導率；

ρ_s小于樹脂基防熱材料原始密度0.7倍的區域，為碳化層，碳化層k_s＝k_c，k_c為樹脂基防熱材料碳化層的熱導率；

ρ_s小于樹脂基防熱材料原始密度0.9倍、且大于樹脂基防熱材料原始密度0.7倍的區域，為熱解區，該區域k_s＝k_c+(k_v-k_c)Q，ρ_v為第t秒時原始防熱材料的密度，ρ_c為第t秒時碳化層的密度。

4.根據權利要求3所述測量樹脂基防熱材料碳化層高溫動態熱導率的方法，其特征在于：第t秒時熱解氣體的單位面積質量流量滿足如下公式：

ρ_v為第t秒時原始區的密度，ρ_c為第t秒時碳化層的密度，B_p、E、R為Arrennious熱解方程中的常數，s₂為原始區和熱解區的分界面，s₃為熱解區和碳化層的分界面。