[發(fā)明專利]一種可高精度測量小熱導率材料的界面接觸熱阻的裝置

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• 申請日: 2022-03-23
• 公開（公告）號: CN115032228A
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發(fā)明（設計）人: 孟兆明;曹安;嚴睿豪;黃宇森;李文哲;姜和睿;孫中寧;丁銘
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N35/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種可高精度測量小熱導率材料的界面接觸熱阻的裝置，屬于接觸熱阻測試技術(shù)領域。該裝置由隔離罩、保溫箱體、試件部分、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)共六個部分組成。隔離罩內(nèi)放置測試裝置主體；保溫箱體由保溫底座、保溫底座蓋和保溫耳室三部分組成；試件部分主要由熱端試件和冷端試件組成，冷端試件包裹在熱端試件上；加熱系統(tǒng)主體為硅碳棒，硅碳棒安裝在保溫底座蓋上的貫通卡槽內(nèi)；冷卻系統(tǒng)位于隔離罩內(nèi)的部分為置于保溫箱體底部的矩形冷卻通道；加壓系統(tǒng)由加壓部分和控制部分組成，加壓部分位于隔離罩內(nèi)。本發(fā)明的接觸熱阻測量裝置采用空間中熱源各向同性傳熱思想，實現(xiàn)了在選定測溫區(qū)域試件內(nèi)部熱流傳導沿半圓柱體試件徑向方向均呈一維傳遞，無一維以外的熱損，實驗穩(wěn)定性好，可高精度的測量小熱導率材料的界面接觸熱阻。

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于熱阻測試技術(shù)領域，具體涉及一種可高精度測量小熱導率材料的界面接觸熱阻的裝置。

背景技術(shù)

隨著時代的進步，界面接觸熱阻無論是在科學研究中，還是工程實用中都越來越得到重視。對于能源動力、熱核反應和航空航天等領域，界面接觸熱阻參數(shù)的精確確定對裝置的安全可靠設計尤為重要。以航空航天領域的高速飛行器為例，由于氣動加熱作用，飛行器外表面溫度將超過1000℃，為保障飛行器安全正常的工作，需在飛行器外表面敷設熱防護系統(tǒng)。熱防護系統(tǒng)在設計過程中必須要考慮熱防護材料之間的界面接觸熱阻，界面接觸熱阻是一個受溫度、壓力、氣體環(huán)境、表面粗糙度、材料熱導率等眾多因素耦合影響的非線性問題。現(xiàn)有的接觸熱阻測量裝置能很好的適用于常規(guī)的金屬材料間的接觸熱阻的測量，常規(guī)的金屬材料的熱導率遠大于測量裝置所采用的保溫材料的熱導率，然而熱防護系統(tǒng)一般均采用熱導率很小的材料作為熱防護材料，熱防護材料的熱導率與測量裝置所采用的保溫材料的熱導率相差無幾，這可能使得現(xiàn)有的接觸熱阻測量裝置不適用于測量熱防護材料的接觸熱阻。由于缺少能夠測量熱導率很小的材料的接觸熱阻的裝置，只能采用常規(guī)的金屬材料外推的接觸熱阻數(shù)據(jù)來預估熱防護系統(tǒng)材料間的界面接觸熱阻，這導致設計出來的熱防護系統(tǒng)的理論熱防護能力和實際熱防護能力存在較大偏差,直接關(guān)乎到熱防護系統(tǒng)設計的合理性、有效性以及經(jīng)濟性。

界面接觸熱阻R等于ΔT比q，ΔT是接觸界面的溫差，q是接觸界面處的一維熱流量。顯然，準確測得ΔT和q是測量界面接觸熱阻R以及提高測量R精度的關(guān)鍵。而準確測得試件接觸界面的ΔT和q的關(guān)鍵在于在試件接觸界面構(gòu)建穩(wěn)定的一維熱流量。一般都會采用在試件周圍布置良好的保溫系統(tǒng)和在接觸界面附近設置補償加熱系統(tǒng)的方法來保證熱流在試件上的傳導沿垂直接觸界面的方向呈一維傳遞，這種方法對于本身熱導率相對保溫材料熱導率相差幾十倍以上的試件而言，可很好的降低熱流在試件上傳導過程中的一維以外的熱損，使得一維以外的熱損對試件接觸熱阻測量精度的影響可忽略不計。然而，對于測量本身熱導率相對保溫材料熱導率相差不大的試件的接觸熱阻，甚至是測量以保溫材料作為試件的試件的接觸熱阻時，繼續(xù)采用上述方法難以保障熱流在試件上的傳導呈一維傳遞，只會由于熱流在試件內(nèi)的傳導量和試件周圍的熱損量相差無幾，使得流過接觸界面間的熱流不是一維傳導狀態(tài)，導致ΔT不能被準確測得和q無法被測得，進而導致無法測得小熱導率試件的接觸熱阻。顯然，上述方法不適用于測量小熱導率試件的接觸熱阻。

專利202110348478.3、202011230625.9、202010965520.1、201910243647.X、201811522277.5、201510954538.0所公開的接觸熱阻測量裝置，為使加熱系統(tǒng)提供的熱流在試件內(nèi)能很好地沿試件軸向方向一維傳導，將試件放置在加壓系統(tǒng)的中軸線上，通過加壓系統(tǒng)的加壓桿將載荷豎直加載到試件上，并在試件周圍布設保溫系統(tǒng)和補償加熱系統(tǒng)。顯然，這些測量裝置可以很好的適用于常規(guī)的金屬材料間的接觸熱阻的測量，但難以準確的測得小熱導率材料(保溫材料)間的接觸熱阻。且這些裝置采用的加壓系統(tǒng)只具備豎直加壓的能力，加壓方向單一且固定。此外，論文《接觸熱阻實驗與數(shù)值模擬》、《界面接觸熱阻影響因素的實驗研究》、《界面接觸熱阻實驗分析及參數(shù)優(yōu)化設計》、《溫度對接觸熱阻的影響》所公開的幾種接觸熱阻測量裝置與上述專利所公開的裝置類似，均不具有測量小熱導率材料的接觸熱阻的能力。綜上，現(xiàn)有的接觸熱阻測量裝置不適用于測量小熱導率試件的接觸熱阻，有必要設計一種新型的可測量小熱導率試件的接觸熱阻的裝置。