專利名稱：應(yīng)用于高溫高應(yīng)力接觸熱阻測試的測試設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種接觸熱阻測試方法及設(shè)備，適用于在不 同溫度和加載應(yīng)力范圍內(nèi)進(jìn)行接觸熱阻的測試，尤其具備高溫、高接觸應(yīng)力條件下的接觸 熱阻測試條件。
背景技術(shù)：
當(dāng)兩個(gè)物體表面相互接觸時(shí)，不論表面多么光滑，總存在微觀的不完全接觸點(diǎn)。物 體的接觸表面是由分散細(xì)小的接觸點(diǎn)組成的，這些接觸點(diǎn)之間被大的空隙隔離開，這些空 隙中可能是真空，也可能充滿導(dǎo)熱介質(zhì)。因此，在接觸面處除了固有的熱阻之外，還存在額 外的傳熱阻力——接觸熱阻。接觸熱阻在很多工程應(yīng)用中是一個(gè)重要的參數(shù)。現(xiàn)在接觸熱 阻的研究主要集中在理論分析和計(jì)算方法的研究方面，即通過建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用計(jì)算機(jī) 模擬的方式預(yù)測接觸熱阻，然后通過與文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，再判斷模型的可靠性。 目前的主要計(jì)算方法有有限元法、蒙特卡羅隨機(jī)點(diǎn)法、分子動(dòng)力學(xué)法等。但這些方法參數(shù) 較多、誤差較大，在工程上并不實(shí)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中單純依托理論和模擬計(jì)算進(jìn)行接觸熱阻測試存在的 問題，提供一種接觸熱阻工程試驗(yàn)測試方法及其設(shè)備，所述的測試方法采用多根材料試樣 與一個(gè)熱流計(jì)形成一個(gè)軸向熱流通道，分別采集軸向熱流傳輸方向多測試點(diǎn)溫度，同時(shí)采 用多層隔熱材料和界面溫度補(bǔ)償技術(shù)降低熱量橫向散失現(xiàn)象對(duì)接觸熱阻測試的影響，根據(jù) 采集的測試點(diǎn)溫度實(shí)現(xiàn)接觸熱阻的測試。本發(fā)明提供的接觸熱阻測試設(shè)備是應(yīng)用于高溫高應(yīng)力接觸熱阻測試的測試設(shè)備， 主要包括支架、頂板、底板、應(yīng)力加載裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和加熱裝置，所述頂板和底板分別 通過四組螺母水平固定在四根支架，并且頂板位于底板的上方，底板和頂板之間由下至上 依次設(shè)置加熱裝置、試樣和應(yīng)力加載裝置；所述應(yīng)力加載裝置固定在頂板中心位置，應(yīng)力加 載裝置的力傳導(dǎo)桿穿過冷卻裝置與試樣的頂端接觸，用于為試樣頂端加載應(yīng)力；所述底板 設(shè)置加熱裝置，用于為試樣加熱；所述的加熱裝置，主要包括加熱塊，加熱塊直接連接可控 硅調(diào)壓器，可控硅調(diào)壓器連接溫控儀，為試樣加熱；所述的加熱塊為圓柱體結(jié)構(gòu)，圓柱體的 上端面上設(shè)置有一個(gè)圓柱形凹槽，凹槽直徑大于試樣直徑，用于固定試樣的底端，并將加熱 塊的熱量傳遞給試樣；加熱塊的底部有一個(gè)螺紋柱，該螺紋柱與耐火磚上布置的金屬板之 間螺紋連接，所述耐火磚置于底板上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明采用的加熱裝置中的加熱塊為高溫材料，應(yīng)力加載裝置可以提供 500MPa的界面接觸應(yīng)力，因此本發(fā)明提供的設(shè)備能夠進(jìn)行高溫、高接觸應(yīng)力下的接觸熱阻 測試試驗(yàn)，并且能夠連續(xù)按要求改變熱端溫度(彡1000°C )和調(diào)整加載應(yīng)力(彡500MPa)。(2)通過可控硅調(diào)壓器控制加熱絲的功率控制熱端所需溫度，通過多層隔熱材料和界面溫度補(bǔ)償避免橫向熱流損失，并采用冷卻裝置使得測試試樣的熱端和冷卻端形成極 大溫差，實(shí)現(xiàn)了熱流軸向的一維傳遞。(3)本發(fā)明提供的設(shè)備能夠?qū)Χ嗤ǖ赖谋O(jiān)測點(diǎn)溫度同時(shí)進(jìn)行檢測和記錄，并進(jìn)行 分析和統(tǒng)計(jì)，因而提高了工作效率，避免了循環(huán)記錄各通道所帶來的誤差。(4)本發(fā)明提供的測試方法可以測試試樣在熱應(yīng)力和壓應(yīng)力同時(shí)作用下的接觸熱 阻，并且方法簡單易于實(shí)現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明提供的接觸熱阻測試設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為本發(fā)明中試樣上熱電偶的布局圖2a為本發(fā)明中穩(wěn)定支撐架的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明中頂板減重結(jié)構(gòu)示意圖4a為本發(fā)明中冷卻水箱的主視剖視圖4b為本發(fā)明中冷卻水箱的俯視圖5a為本發(fā)明中加熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖5b為本發(fā)明中加熱裝置的圓筒形加熱筒結(jié)構(gòu)示意圖5c為本發(fā)明中加熱塊的結(jié)構(gòu)示意圖6為本發(fā)明中補(bǔ)償加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖6a為補(bǔ)償加熱裝置中固定支架的仰視圖6b為補(bǔ)償加熱裝置中固定支架的主視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明提供一種接觸熱阻測試方法，該測試方法利用熱流在不同材料界面間傳遞 的溫度變化的特性來檢測界面接觸熱阻，因而此種方法采用比較簡單、可靠、測量精度較 高、易于操作的測試設(shè)備就可以。但因測溫元件與周圍介質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換，需要一 定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，所以達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的數(shù)據(jù)才是可信的。基于上述因素，本發(fā)明提供 的接觸熱阻測試方法具體通過如下步驟實(shí)現(xiàn)第一步，測試試樣和設(shè)備的準(zhǔn)備。加工至少三個(gè)試樣，包括一個(gè)熱流計(jì)試樣和兩個(gè)測試試樣，將三個(gè)試樣豎直同軸 夾裝在底端加熱裝置和頂端應(yīng)力加載裝置之間，所述的試樣上設(shè)置有熱電偶，熱電偶與數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)連接，用于測試和采集試樣的軸向溫度。第二步，對(duì)試樣加熱和加載壓應(yīng)力，采集試樣測試點(diǎn)溫度。通過加熱裝置對(duì)試樣加熱，并對(duì)試樣施加壓應(yīng)力，3 4個(gè)小時(shí)后，待試樣溫度達(dá) 到穩(wěn)定后開始采集測試溫度。所述的測試溫度包括每個(gè)試樣上η個(gè)測試點(diǎn)的測試點(diǎn)溫度 Tii = I,……η，η為試樣上測試點(diǎn)數(shù)目。所述的測試點(diǎn)溫度Ti通過在試樣上均布的測試 點(diǎn)熱電偶進(jìn)行采集，所述的測試點(diǎn)熱電偶的探頭均布置在試樣的中軸線上，保證測溫的準(zhǔn) 確性。例如試樣上測試點(diǎn)之間的距離滿足如下關(guān)系試樣長度為1，相鄰兩個(gè)測試點(diǎn)之
4面到上端面之間設(shè)置η個(gè)測試點(diǎn)，測試點(diǎn)之間的距 離為1/η，第一個(gè)測試點(diǎn)距離下端面的距離等于第η個(gè)測試點(diǎn)距離上端面的距離，并且兩個(gè) 距離之和等于相鄰兩個(gè)測試點(diǎn)之間的距離。測試試樣豎直同軸，測試點(diǎn)從下到上均勻布置， 順序編號(hào)。熱電偶連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上計(jì)算機(jī)顯示試樣上每個(gè)測試點(diǎn)的溫 度變化在0. 5度以內(nèi)時(shí)，即可認(rèn)為軸向熱流傳輸已達(dá)到穩(wěn)態(tài)。第三步，相鄰試樣在接觸界面處的平均溫度。將試樣上每一個(gè)測試點(diǎn)上的溫度進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，并通過計(jì)算機(jī)繪制測試點(diǎn)處的 溫度變化曲線。每兩個(gè)相鄰試樣上，距離接觸界面最近的兩個(gè)測試點(diǎn)熱電偶的溫度為1；和1；+1，則 下方試樣的第η個(gè)測試點(diǎn)溫度Tn和相鄰的上方試樣的第1個(gè)測試點(diǎn)溫度Τη+1的平均值就是 兩試樣接觸界面處的平均溫度，則接觸界面處的平均溫度ΔΤ'為 第四步，對(duì)試樣接觸界面進(jìn)行溫度補(bǔ)償。將接觸界面處的平均溫度ΔΤ'作為相鄰兩試樣之間的理論傳導(dǎo)溫度，對(duì)試樣接 觸界面進(jìn)行溫度補(bǔ)償，采用補(bǔ)償加熱裝置保證試樣的接觸界面處保持理論傳導(dǎo)溫度ΔΤ'。第五步，通過外推溫度梯度確定相鄰試樣接觸界面處的溫度降ΔΤ 其中，1為試樣長度，η為每個(gè)試樣上測試點(diǎn)個(gè)數(shù)，T1, Tn、Tn+1、T2n分別第一被測試 樣第1個(gè)、第η個(gè)測試點(diǎn)的溫度、相鄰的第二個(gè)被測試樣第η+1和第2η個(gè)測試點(diǎn)的溫度。第六步，根據(jù)所選熱流計(jì)來確定試樣的軸向熱流。忽略試樣的橫向熱流損失，以金屬銅作為熱流計(jì)，制備成與試樣同樣尺寸的熱流 計(jì)試樣，則軸向熱流為Q = Ir^- = Ir(Tx-Tn)Im其中λ τ為銅的熱導(dǎo)率； \、Τη為熱流計(jì)試樣上第一個(gè)測試點(diǎn)與第η個(gè)測試點(diǎn)的溫 度；m為熱流計(jì)試樣上第一個(gè)測試點(diǎn)與第η個(gè)測試點(diǎn)之間的距離。第七步，計(jì)算接觸熱導(dǎo)和接觸熱阻。根據(jù)第六步中的軸向熱流，得到試驗(yàn)中的接觸熱導(dǎo)h。如下 q__MnVm_ 根據(jù)每兩個(gè)試樣接觸界面處的溫度降Δ T計(jì)算接觸熱阻Re所述的接觸熱阻Re為
其中q為軸向熱流。根據(jù)試驗(yàn)需要，可以調(diào)整加熱溫度或加載應(yīng)力，重復(fù)第一步到第六步可以測試不 同溫度和應(yīng)力條件下的接觸熱阻。本發(fā)明還提供一種接觸熱阻測試設(shè)備，如圖1所示，所述的測試設(shè)備主要包括支 架1、頂板2、底板3、應(yīng)力加載裝置4、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6和加熱裝置7，還包括一個(gè)冷卻裝置 5。所述頂板2和底板3分別通過四組螺母8水平固定在四根支架1上，并且頂板2位于底 板3的上方。底板3和頂板2之間的空間由下至上依次設(shè)置加熱裝置7、試樣9、冷卻裝置 5和應(yīng)力加載裝置4。所述應(yīng)力加載裝置4固定在頂板2中心位置，應(yīng)力加載裝置4的力傳 導(dǎo)桿穿過冷卻裝置5與試樣9的頂端接觸，用于為試樣9頂端加載應(yīng)力。所述底板3設(shè)置 加熱裝置7，用于為試樣9加熱。所述的試樣9的數(shù)量至少三個(gè)，豎直軸向排列，并且其中一個(gè)試樣9作為熱流計(jì)試 樣，其余為待測接觸熱阻的材料試樣。如圖2所示，每個(gè)試樣9的中軸線上布置4個(gè)測試點(diǎn) 熱電偶10(如鎳鉻鎳硅熱電偶)，測試點(diǎn)熱電偶10作為溫度傳感器用于實(shí)時(shí)測量沿著試樣 9軸向上的溫度分布，測試點(diǎn)熱電偶10的探頭設(shè)置在試樣9的豎直中軸線上，測試點(diǎn)熱電偶 10的尾線連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6，如圖1，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6采集的溫度數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)601進(jìn) 行存儲(chǔ)并繪制溫度變化曲線，顯示給操作者，便于操作者監(jiān)測和控制接觸熱阻測試過程。每個(gè)試樣9上熱電偶探頭之間的距離關(guān)系如下相鄰熱電偶之間的軸向距離相 等；每個(gè)試樣的長度為1，每個(gè)試樣上從下端面到上端面依次布置η個(gè)熱電偶，則熱電偶之 間的距離為1/η，并且第一個(gè)熱電偶距離下端面的距離等于第η個(gè)熱電偶距離上端面的距 離，均為1/2η。本發(fā)明中選用已知熱傳導(dǎo)系數(shù)的材料如銅作為熱流計(jì)，來測試試樣的軸向熱流q。 熱流計(jì)做成與試樣9 一樣的尺寸，作為其中的一個(gè)熱流計(jì)試樣，測試時(shí)，所述的熱流計(jì)試樣 布置在測試試樣的最頂端與應(yīng)力加載裝置4的力傳導(dǎo)桿接觸，或者最底端與加熱裝置7直 接接觸，保證待測接觸熱阻的合金材料試樣之間接觸形成接觸界面901，本發(fā)明提供的測試 設(shè)備就是用于測試相接觸的兩試樣之間的接觸界面901處的接觸熱阻。所述的測試點(diǎn)熱電偶10采用K型的鎳鉻鎳硅熱電偶，能夠測0 1300°C的溫度范 圍。本發(fā)明采用測試點(diǎn)熱電偶10的探頭排布方式如圖2所示，探頭設(shè)置在試樣9的豎直中 軸線上。試樣長度為60mm，每個(gè)試樣9上測試點(diǎn)熱電偶10的探頭距離上下端面7. 5mm，相 互之間間隔15mm，一共布置四個(gè)熱電偶。在試樣9上布置測試點(diǎn)熱電偶10的探頭孔必須小 心的加工，因?yàn)樘筋^孔間距的微小的誤差即可以帶來溫度梯度的較大的誤差，進(jìn)而得出接 觸熱阻較大的不確定度。由于測試點(diǎn)熱電偶10和熱電偶探頭孔的加工均存在公差，在試樣受熱載過程中， 試樣會(huì)受熱膨脹，一些測試點(diǎn)熱電偶10將有可能從試樣孔中脫落。為了固定測試點(diǎn)熱電偶 10，如圖2所示，本發(fā)明中將所述的測試點(diǎn)熱電偶10的尾線通過一個(gè)穩(wěn)定支撐架11，如圖 2a所示，所述的穩(wěn)定支撐架11上設(shè)置尾線孔11A，尾線孔IlA的數(shù)量等于試樣上測試點(diǎn)熱 電偶10的數(shù)量，每個(gè)測試點(diǎn)熱電偶10的尾線都穿過尾線孔IlA后與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6連接， 并且尾線是通過螺釘鎖緊的方式固定在穩(wěn)定支撐架11上，防止測試點(diǎn)熱電偶10從試樣9上脫落。在所述應(yīng)力加載裝置4上連接有壓力傳感器401，如圖1，壓力傳感器401與數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)6中的計(jì)算機(jī)601連接，用于測量所加載壓應(yīng)力的大小，并將所測量的壓應(yīng)力數(shù)據(jù) 記錄和顯示在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6的計(jì)算機(jī)601上。通過調(diào)節(jié)四個(gè)螺母8推動(dòng)頂板2，使得頂板 2的高度可調(diào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力加載裝置4施加壓力，應(yīng)力加載裝置4通過力傳導(dǎo)桿將壓力 施加給試樣9的頂端。由于所述力傳導(dǎo)桿穿過冷卻裝置5的冷卻水箱與試樣接觸。力傳導(dǎo) 桿給試樣9傳導(dǎo)施加壓應(yīng)力的同時(shí)，也將實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣9的頂端的冷卻。所述的頂板2的結(jié)構(gòu)如圖3所示，頂板2采用厚鋼板+加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，并且頂板2 采用了減重結(jié)構(gòu)來精簡設(shè)備，測試點(diǎn)熱電偶以及補(bǔ)償加熱裝置等部件也可以更容易插入并 且安全使用。在增大了頂板2的面積的同時(shí)，在頂板2上設(shè)置減重孔201來實(shí)現(xiàn)減重，減輕 了加載裝置的重量的同時(shí)也使得操作更方便。所述的冷卻裝置5放置在試樣9的頂端，如圖4a、4b所示，所述的冷卻裝置5為一 個(gè)冷卻水箱結(jié)構(gòu)，冷卻水箱的中心設(shè)有中心通孔501，中心通孔501的內(nèi)徑稍大于力傳導(dǎo)桿 的外徑，所述的中心通孔501具有內(nèi)螺紋，冷卻水箱通過所述內(nèi)螺紋連接固定在應(yīng)力加載 裝置4的力傳導(dǎo)桿上。冷卻水箱內(nèi)部的冷卻水的溫度可以直接傳導(dǎo)給力傳導(dǎo)桿，通過力傳 導(dǎo)桿的溫度降低來冷卻試樣9的上方冷端。冷卻水箱內(nèi)部設(shè)置有冷卻通道502，冷卻通道 502為螺旋形圍繞中心通孔501。冷卻水從冷卻水箱底部的冷卻水入水口 503進(jìn)入冷卻通 道502，并從冷卻水箱頂部的冷卻水出水口 504流出，如此循環(huán)，冷卻水以一定的流速通過 冷卻水箱內(nèi)部的冷卻通道502，為力傳導(dǎo)桿提供較低的恒定的溫度，可以降低力傳導(dǎo)桿的溫 度，進(jìn)而冷卻試樣9的上方冷端。一般循環(huán)冷卻水的溫度維持在20°C 25°C即可。該種方 式使得循環(huán)冷卻水與試樣冷端的接觸面積最大，最大限度地提高了冷卻效率。冷卻水箱內(nèi) 部有上、中、下三層冷卻通道502，并在層與層之間設(shè)置兩個(gè)開口對(duì)角分布的隔板505，用以 保證循環(huán)冷卻水從底部流向頂部。循環(huán)冷卻水將從下而上，防止了滯留。試驗(yàn)中采用此種冷卻方式發(fā)現(xiàn)，加熱裝置以最大的功率加熱(220V/1500W)達(dá)到 所需要的熱端溫度后，通過可控硅調(diào)壓器12調(diào)低電壓在90V-120V之間，約2-3個(gè)小時(shí)后， 試樣上的軸向熱流達(dá)到了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。所述的加熱裝置7，如圖5a所示，主要包括加熱塊701，加熱塊701可以直接連接 可控硅調(diào)壓器12，可控硅調(diào)壓器12連接溫控儀，為試樣加熱；也可以通過加熱塊701外圈 的陶瓷(SiC)加熱筒702或一側(cè)開口的圓筒形加熱器705連接可控硅調(diào)壓器12，可控硅調(diào) 壓器12連接溫控儀，為試樣加熱。當(dāng)選用陶瓷加熱筒702時(shí)，陶瓷加熱筒702外周纏繞有 加熱絲703，加熱絲703連接可控硅調(diào)壓器12，可控硅調(diào)壓器12連接溫控儀12A，用于為加 熱絲703提供電源功率可控制的加熱溫度，為試樣9加載溫度。加熱絲703的熱量通過陶 瓷加熱筒702傳遞給加熱塊701，為試樣9提供熱源。陶瓷加熱筒702的內(nèi)徑稍大于加熱塊 701的外徑，保證陶瓷加熱筒702的熱量能夠全部傳遞給加熱塊701。所述的一側(cè)開口的圓筒形加熱器705是如圖5b所示的結(jié)構(gòu)，即采用一側(cè)開口的圓 筒形加熱器705為加熱塊701加熱。所述圓筒形加熱器705內(nèi)徑與加熱塊701外徑緊密接 觸，進(jìn)而可以增大加熱效率，縮短加熱時(shí)間。設(shè)計(jì)成一側(cè)開口的結(jié)構(gòu)，更加有利于圓筒形加 熱器705內(nèi)壁與加熱塊701之間的緊密接觸。所述圓筒形加熱器705內(nèi)壁上布置加熱絲 703，加熱絲703的兩端連接到可控硅調(diào)壓器12，可控硅調(diào)壓器12連接溫控儀12A。
所述的加熱塊701結(jié)構(gòu)如圖5c所示，加熱塊701為圓柱體結(jié)構(gòu)，圓柱體的上端面 上設(shè)置有一個(gè)圓柱形凹槽701A，凹槽701A直徑稍大于試樣9直徑，凹槽701A四周設(shè)置螺栓 孔701D，在將試樣9底端安裝到凹槽701A內(nèi)之后，用螺栓穿過螺栓孔701D將試樣9底端頂 緊，防止試樣9底端相對(duì)于凹槽701A的移動(dòng)，同時(shí)可以將加熱塊701的熱量傳遞給試樣9， 一般螺栓孔701D設(shè)置四個(gè)。加熱塊701的底部有一個(gè)螺紋柱701B，該螺紋柱701B與耐火 磚13上布置的金屬板14之間螺紋連接，如圖5a，連接金屬板14使得加熱塊701的重心下 降，穩(wěn)固的位于耐火磚13的上表面。所述耐火磚13置于底板3上。所述的耐火磚13和金 屬板14都是起到固定加熱塊701的作用，同時(shí)耐火磚13也起到隔熱和調(diào)整加熱塊701的 位置平衡的作用。在加熱塊701上凹槽701A的底部位置設(shè)置一個(gè)溫度傳感器701C，溫度傳感器 701C通過圓筒形加熱器705的開口部位或者通過陶瓷套筒702連接到溫控儀12A，溫度傳 感器701C將所測溫度數(shù)據(jù)反饋到溫控儀12A上，溫控儀12A通過可控硅調(diào)壓器12控制圓 筒形加熱器705上加熱的通斷，保證加熱塊701頂部位置始終保持恒定的溫度將熱量傳遞 給測試試樣9。所述的四根支架1均具有外螺紋結(jié)構(gòu)，八組螺母8可以單獨(dú)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)頂板2上 固定的四組螺母8可以保證應(yīng)力加載裝置4提供豎直向下的力；調(diào)節(jié)底板3的四組螺母8， 可以保證耐火磚13上的加熱塊701的軸線與地面垂直。通常選取的加熱絲703為鐵鉻鋁加熱絲，如0Cr21Al 16Nb。選取加熱塊701采用 耐高溫合金，如lCrl8Ni9Ti(600°C )，或者選取K417合金鋼(耐高溫1000°C以上)?？梢?提供的最大功率為1500W。在所述陶瓷加熱筒702的外側(cè)還可以設(shè)置保溫層704(避免加熱 絲與隔熱材料直接接觸發(fā)生反應(yīng))，如圖1所示，用于防止加熱絲703和加熱塊701的熱量散失。在所述試樣9的外周設(shè)置隔熱層16，隔熱層16由保溫棉和珍珠巖組成，如圖1，隔 熱層16設(shè)置在試樣9和加熱裝置7的外周，用于防止試樣表面熱量橫向散失，盡量保證試 樣9上的溫度熱量沿著試樣9軸向上升，避免界面處熱流的橫向流失。在接觸熱阻測試過程中，由于試樣溫度從下向上傳遞，在徑向同一平面內(nèi)存在著 不同的溫度，橫向上的熱流損失不可避免。根據(jù)傳熱的動(dòng)力原理，兩個(gè)平面的溫差越大，則 傳熱的動(dòng)力就越大，當(dāng)熱流沿軸向方向最大化，達(dá)到熱流一維傳輸?shù)臏?zhǔn)穩(wěn)態(tài)，此時(shí)才可以進(jìn) 行接觸熱阻的測試。為了盡量的減少橫向熱流損失，使得熱流沿軸向傳輸，本發(fā)明還設(shè)置了 補(bǔ)償加熱裝置15。所述的補(bǔ)償加熱裝置15包括兩個(gè)熱電偶15A和兩個(gè)環(huán)形加熱器15B，如 圖6所示，所述的環(huán)形加熱器15B位于接觸界面的徑向平面內(nèi)，分別距離接觸界面50mm和 60mm的位置，環(huán)形加熱器15B上分別固定設(shè)置一個(gè)熱電偶15A，熱電偶15A與溫控儀12A相 連，將環(huán)形加熱器15B的溫度反饋給溫控儀12A，通過溫控儀12A使試樣接觸界面的溫度與 環(huán)形加熱器15B的溫度一致，兩材料接觸界面橫向等溫，避免了熱量的橫向散失。試驗(yàn)過程 中通過對(duì)相鄰兩個(gè)試樣上最接近的兩個(gè)測試點(diǎn)熱電偶10所測溫度作差并求平均，得到接 觸界面處的理論傳導(dǎo)溫度Δ T'，根據(jù)該理論傳導(dǎo)溫度ΔΤ'，調(diào)節(jié)溫控儀12Α的溫度控制 點(diǎn)，將環(huán)形加熱器15Β加熱溫度控制在所述的理論傳導(dǎo)溫度范圍內(nèi)，使得熱流在試樣接觸 界面處的軸向傳輸最大化，避免橫向熱流散失。所述環(huán)形加熱器15Β通過固定支架15C固定在頂板2上，所述固定支架15C為倒
8“L”型，頂端設(shè)置兩個(gè)螺紋孔150，如圖6a所示，螺釘穿過所述螺紋孔150將固定支架15C 固定在頂板2上；底端附近設(shè)置有槽形孔151，如圖6b所示，環(huán)形加熱器15B上有兩個(gè)圓孔， 用螺栓穿過所述圓孔將環(huán)形加熱器15B固定在槽形孔151上，加工成槽形孔的目的是為了 方便調(diào)節(jié)環(huán)形加熱器15B在軸向上的位置，進(jìn)而使得環(huán)形加熱器15B的高度可調(diào)節(jié)。本發(fā)明中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6將所采集的溫度數(shù)據(jù)分為兩部分，一部分是測試點(diǎn)熱 電偶10的所有溫度數(shù)據(jù)，用于計(jì)算機(jī)繪制成溫度變化曲線，檢測試樣加熱溫度的穩(wěn)定變 化，然后根據(jù)該采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行接觸熱阻的解算；另一部分是距離接觸界面處最近的 兩個(gè)熱電偶的溫度數(shù)據(jù)，用于解算試樣接觸界面處的平均溫度，以便于控制對(duì)于試樣接觸 界面處的溫度補(bǔ)償。本發(fā)明中的溫控儀12A可以實(shí)現(xiàn)多路加熱的單獨(dú)控制和數(shù)據(jù)顯示，本發(fā)明中選取 的溫控儀12A型號(hào)為XMZJ16-38K XLDS。
權(quán)利要求
應(yīng)用于高溫高應(yīng)力接觸熱阻測試的測試設(shè)備，其特征在于主要包括支架、頂板、底板、應(yīng)力加載裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和加熱裝置，所述頂板和底板分別通過四組螺母水平固定在四根支架，并且頂板位于底板的上方，底板和頂板之間由下至上依次設(shè)置加熱裝置、試樣和應(yīng)力加載裝置；所述應(yīng)力加載裝置固定在頂板中心位置，應(yīng)力加載裝置的力傳導(dǎo)桿穿過冷卻裝置與試樣的頂端接觸，用于為試樣頂端加載應(yīng)力；所述底板設(shè)置加熱裝置，用于為試樣加熱；所述的加熱裝置，主要包括加熱塊，加熱塊直接連接可控硅調(diào)壓器，可控硅調(diào)壓器連接溫控儀，為試樣加熱；所述的加熱塊為圓柱體結(jié)構(gòu)，圓柱體的上端面上設(shè)置有一個(gè)圓柱形凹槽，凹槽直徑大于試樣直徑，用于固定試樣的底端，并將加熱塊的熱量傳遞給試樣；加熱塊的底部有一個(gè)螺紋柱，該螺紋柱與耐火磚上布置的金屬板之間螺紋連接，所述耐火磚置于底板上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于高溫高應(yīng)力接觸熱阻測試的測試設(shè)備，其特征在于 所述的加熱塊外圈有陶瓷加熱筒，陶瓷加熱筒外周纏繞有加熱絲，加熱絲連接可控硅調(diào)壓 器，可控硅調(diào)壓器連接溫控儀，用于為加熱絲提供電源功率可控制的加熱溫度，為試樣加載溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于高溫高應(yīng)力接觸熱阻測試的測試設(shè)備，其特征在于 所述的加熱塊外圈有一側(cè)開口的圓筒形加熱器，所述圓筒形加熱器內(nèi)徑與加熱塊外徑緊密 接觸，所述圓筒形加熱器內(nèi)壁上布置加熱絲，加熱絲的兩端連接到可控硅調(diào)壓器，可控硅調(diào) 壓器連接溫控儀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于高溫高應(yīng)力接觸熱阻測試的測試設(shè)備，其特征在于 在加熱塊上凹槽的底部位置設(shè)置一個(gè)溫度傳感器，溫度傳感器連接到溫控儀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于高溫高應(yīng)力接觸熱阻測試的測試設(shè)備，其特征在于 在加熱塊上凹槽側(cè)面設(shè)置螺栓孔，通過螺栓穿過螺栓孔，將試樣固定在加熱塊的凹槽內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的應(yīng)用于高溫高應(yīng)力接觸熱阻測試的測試設(shè)備，其特 征在于所述的加熱絲為鐵鉻鋁加熱絲，加熱塊采用耐高溫合金，ICrlSNiOTi或K417合金 鋼，提供的最大功率為1500W。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于高溫高應(yīng)力接觸熱阻測試的測試設(shè)備，其特征在于 在所述陶瓷加熱筒的外側(cè)設(shè)置保溫層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于高溫高應(yīng)力接觸熱阻測試的測試設(shè)備，其特征在于 所述試樣和加熱裝置的外周設(shè)置隔熱層，隔熱層由保溫棉和珍珠巖組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于高溫高應(yīng)力接觸熱阻測試的測試設(shè)備，屬于測試技術(shù)領(lǐng)域，主要包括支架、頂板、底板、應(yīng)力加載裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和加熱裝置，所述應(yīng)力加載裝置固定在頂板中心位置，力傳導(dǎo)桿穿過冷卻裝置與試樣的頂端接觸，用于為試樣頂端加載應(yīng)力；所述底板設(shè)置加熱裝置，主要包括加熱塊，加熱塊直接連接可控硅調(diào)壓器，可控硅調(diào)壓器連接溫控儀，為試樣加熱；本發(fā)明采用的加熱裝置中的加熱塊為高溫材料，應(yīng)力加載裝置可以提供500MPa的界面接觸應(yīng)力，因此本發(fā)明提供的設(shè)備能夠進(jìn)行高溫、高接觸應(yīng)力下的接觸熱阻測試試驗(yàn)，并且能夠連續(xù)按要求改變熱端溫度(≤1000℃)和調(diào)整加載應(yīng)力(≤500MPa)。
文檔編號(hào)G01N25/20GK101915780SQ20101022983
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月13日
發(fā)明者丁美麗, 侯衛(wèi)國, 劉肖, 唐慶云, 姚婧, 崔本倉, 張衛(wèi)方, 王宗仁, 王曉亮 申請人:北京航空航天大學(xué)