[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

樹脂基防熱材料碳化層高溫動態熱導率測量裝置和方法，該裝置包括石英燈、隔熱裝置、多層溫度測量裝置、加熱電源、計算機系統和溫度采集裝置，對待測樣品進行非接觸一維近似加熱，避免了對待測樣品的破壞，能夠同時測得待測樣品多層的溫度。本發明測量方法基于上述測量裝置測得的溫度，通過反向求解防熱材料的熱傳導方程獲得熱導率，不需要單獨制備碳化層樣品，降低了對測量樣品的尺寸和外形要求，測量范圍較廣。同時本發明測量裝置結合本發明測量方法能夠實現一次測量獲得多個溫度下的熱導率，實現了碳化層高溫熱導率的動態測量。

技術領域

本發明涉及一種樹脂基防熱材料碳化層高溫動態熱導率測量裝置和方法，屬于固體材料熱物性測量技術領域。

背景技術

樹脂基防熱材料是高超聲速飛行器防熱常用的材料之一。該材料在飛行器飛行過程中會受熱發生熱解，釋放出熱解氣體，剩余疏松多孔結構的碳化層。研究表明，碳化層的熱導率對高超聲速飛行器防熱結構溫度場的準確預測十分重要，特別是對于長時間經歷中低熱流氣動加熱載荷的飛行器。

目前，大多數材料的熱導率難以通過理論計算準確得到。試驗方法幾乎成為確定材料熱導率的唯一途徑，應用較為廣泛的為熱探針法、瞬態平板熱源法等。這些方法對測量樣品的尺寸和外形要求較高，但是樹脂基防熱材料加熱后形成的碳化層為疏松多孔結構，加工性能較差，難以制備出符合測試要求的樣品，即使樣品制備成功，在測量過程中樣品被破壞的風險也很大。并且上述方法一次只能測量一個溫度下的熱導率，要測量不同溫度下的熱導率就需要創造不同的溫度環境分次測量，為保證每次測量時材料的溫度與環境溫度一致，需要將材料在創造的環境裝置中放置很長時間，從而增加測量的時間成本，而且放置時間越長，材料熱解的可能性越大，影響測量的精度。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供樹脂基防熱材料碳化層高溫動態熱導率測量裝置和方法，待測樣品可以是任何成型的固體防熱材料，且一次測量能夠獲得多個溫度下的熱導率，實現動態測量。

本發明的技術解決方案是：一種樹脂基防熱材料碳化層高溫動態熱導率測量裝置，包括石英燈、隔熱裝置、多層溫度測量裝置、加熱電源、計算機系統和溫度采集裝置；

多層溫度測量裝置包括溫度測量塞、測溫傳感器和熱電偶線，溫度測量塞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，使溫度測量塞具有n個測溫層；熱電偶線連接在測溫傳感器的兩端，并從溫度測量塞伸出；

石英燈位于隔熱裝置上方；待測樣品和多層溫度測量裝置均位于隔熱裝置內部，溫度測量塞固定在待測樣品內部，且溫度測量塞外表面與待測樣品通過密封膠固定連接，熱電偶線穿過待測樣品并經隔熱裝置底部的通孔伸出；加熱電源的一端與計算機系統的一端連接，加熱電源的另一端與石英燈連接；計算機系統的另一端與溫度采集裝置的一端連接；溫度采集裝置的另一端與熱電偶線連接。

所述溫度測量塞采用與待測樣品相同的材料制成。

利用所述測量裝置測量樹脂基防熱材料碳化層高溫動態熱導率的方法，包括如下步驟：

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

(3.2)計算機系統根據溫度采集裝置的輸出數據，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；

(3.3)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；