本發(fā)明涉及一種樹(shù)脂基防熱材料碳化層高溫動(dòng)態(tài)熱導(dǎo)率測(cè)量裝置和方法，屬于固體材料熱物性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

樹(shù)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(guò)程中會(huì)受熱發(fā)生熱解，釋放出熱解氣體，剩余疏松多孔結(jié)構(gòu)的碳化層。研究表明，碳化層的熱導(dǎo)率對(duì)高超聲速飛行器防熱結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)十分重要，特別是對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)歷中低熱流氣動(dòng)加熱載荷的飛行器。

目前，大多數(shù)材料的熱導(dǎo)率難以通過(guò)理論計(jì)算準(zhǔn)確得到。試驗(yàn)方法幾乎成為確定材料熱導(dǎo)率的唯一途徑，應(yīng)用較為廣泛的為熱探針?lè)?、瞬態(tài)平板熱源法等。這些方法對(duì)測(cè)量樣品的尺寸和外形要求較高，但是樹(shù)脂基防熱材料加熱后形成的碳化層為疏松多孔結(jié)構(gòu)，加工性能較差，難以制備出符合測(cè)試要求的樣品，即使樣品制備成功，在測(cè)量過(guò)程中樣品被破壞的風(fēng)險(xiǎn)也很大。并且上述方法一次只能測(cè)量一個(gè)溫度下的熱導(dǎo)率，要測(cè)量不同溫度下的熱導(dǎo)率就需要?jiǎng)?chuàng)造不同的溫度環(huán)境分次測(cè)量，為保證每次測(cè)量時(shí)材料的溫度與環(huán)境溫度一致，需要將材料在創(chuàng)造的環(huán)境裝置中放置很長(zhǎng)時(shí)間，從而增加測(cè)量的時(shí)間成本，而且放置時(shí)間越長(zhǎng)，材料熱解的可能性越大，影響測(cè)量的精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供樹(shù)脂基防熱材料碳化層高溫動(dòng)態(tài)熱導(dǎo)率測(cè)量裝置和方法，待測(cè)樣品可以是任何成型的固體防熱材料，且一次測(cè)量能夠獲得多個(gè)溫度下的熱導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種樹(shù)脂基防熱材料碳化層高溫動(dòng)態(tài)熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，包括石英燈、隔熱裝置、多層溫度測(cè)量裝置、加熱電源、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和溫度采集裝置；

多層溫度測(cè)量裝置包括溫度測(cè)量塞、測(cè)溫傳感器和熱電偶線(xiàn)，溫度測(cè)量塞由兩個(gè)半圓柱體拼接而成，內(nèi)壁上開(kāi)有n個(gè)凹槽，所述n個(gè)凹槽中任意兩個(gè)均不在同一圓周上，每個(gè)凹槽中布置有測(cè)溫傳感器，使溫度測(cè)量塞具有n個(gè)測(cè)溫層；熱電偶線(xiàn)連接在測(cè)溫傳感器的兩端，并從溫度測(cè)量塞伸出；

石英燈位于隔熱裝置上方；待測(cè)樣品和多層溫度測(cè)量裝置均位于隔熱裝置內(nèi)部，溫度測(cè)量塞固定在待測(cè)樣品內(nèi)部，且溫度測(cè)量塞外表面與待測(cè)樣品通過(guò)密封膠固定連接，熱電偶線(xiàn)穿過(guò)待測(cè)樣品并經(jīng)隔熱裝置底部的通孔伸出；加熱電源的一端與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一端連接，加熱電源的另一端與石英燈連接；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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(xiàn)連接。

所述溫度測(cè)量塞采用與待測(cè)樣品相同的材料制成。

利用所述測(cè)量裝置測(cè)量樹(shù)脂基防熱材料碳化層高溫動(dòng)態(tài)熱導(dǎo)率的方法，包括如下步驟：

(3.1)打開(kāi)加熱電源，溫度采集裝置通過(guò)熱電偶線(xiàn)實(shí)時(shí)采集每個(gè)測(cè)溫傳感器的溫度，并輸出給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；

(3.2)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)溫度采集裝置的輸出數(shù)據(jù)，獲得0-tf秒內(nèi)，待測(cè)樣品每一層的溫度歷程，其中待測(cè)樣品的第m層溫度是指溫度測(cè)量塞第m層凹槽中測(cè)溫傳感器測(cè)得的溫度值，m值為從1到n的自然數(shù)，n為溫度測(cè)量塞(4)的層數(shù)；

(3.3)建立如下目標(biāo)函數(shù)：

其中j為最小時(shí)計(jì)算得到的待測(cè)樣品碳化層熱導(dǎo)率即為實(shí)際待測(cè)樣品碳化層熱導(dǎo)率；

式中，為待測(cè)樣品第t秒時(shí)第m層的溫度，t(xm,t)為待測(cè)樣品第t秒時(shí)第m層的溫度計(jì)算值，xm為溫度測(cè)量塞第m層與第1層之間的距離。

利用如下方程組計(jì)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＝xn時(shí)，x＝x1時(shí)，0s時(shí)任意層的溫度t(x,0)＝t0；ρs和cs分別為第t秒時(shí)防熱材料的密度和比熱；ρg和cg分別為第t秒時(shí)熱解氣體的密度和比熱，分別為第t秒時(shí)熱解氣體的單位面積質(zhì)量流量和生成率；δhp為第t秒時(shí)樹(shù)脂基防熱材料中樹(shù)脂的分解熱，ks為第t秒時(shí)樹(shù)脂基防熱材料的熱導(dǎo)率。

第t秒時(shí)樹(shù)脂基防熱材料熱導(dǎo)率的確定方法如下：

ρs大于樹(shù)脂基防熱材料原始密度0.9倍的區(qū)域，為原始區(qū)，該區(qū)域ks＝kv，kv為樹(shù)脂基防熱材料的原始熱導(dǎo)率；

ρs小于樹(shù)脂基防熱材料原始密度0.7倍的區(qū)域，為碳化層，碳化層ks＝kc，kc為樹(shù)脂基防熱材料碳化層的熱導(dǎo)率；

ρs小于樹(shù)脂基防熱材料原始密度0.9倍、且大于樹(shù)脂基防熱材料原始密度0.7倍的區(qū)域，為熱解區(qū)，該區(qū)域ks＝kc+(kv-kc)q，ρv為第t秒時(shí)原始防熱材料的密度，ρc為第t秒時(shí)碳化層的密度。

第t秒時(shí)熱解氣體的單位面積質(zhì)量流量滿(mǎn)足如下公式：

ρv為第t秒時(shí)原始區(qū)的密度，ρc為第t秒時(shí)碳化層的密度，bp、e、r為arrennious熱解方程中的常數(shù)，s2為原始區(qū)和熱解區(qū)的分界面，s3為熱解區(qū)和碳化層的分界面。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明測(cè)量裝置，能夠同時(shí)測(cè)得待測(cè)樣品多層的溫度，結(jié)合本發(fā)明給出的測(cè)量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)一次測(cè)量獲得多個(gè)溫度下的熱導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)了碳化層高溫?zé)釋?dǎo)率的動(dòng)態(tài)測(cè)量，同時(shí)降低了測(cè)量的時(shí)間成本，保證了測(cè)量精度。

(2)本發(fā)明測(cè)量裝置對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行非接觸一維近似加熱，避免了對(duì)待測(cè)樣品的破壞；同時(shí)本發(fā)明測(cè)量方法通過(guò)反向求解防熱材料的熱傳導(dǎo)方程獲得熱導(dǎo)率，不需要單獨(dú)制備碳化層樣品，降低了對(duì)測(cè)量樣品的尺寸和外形要求，測(cè)量范圍較廣。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明測(cè)量裝置圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明提出一種樹(shù)脂基防熱材料碳化層高溫動(dòng)態(tài)熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，包括石英燈1、隔熱裝置2、多層溫度測(cè)量裝置、加熱電源7、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)8和溫度采集裝置9。

多層溫度測(cè)量裝置包括溫度測(cè)量塞4、測(cè)溫傳感器5和熱電偶線(xiàn)6，溫度測(cè)量塞4由兩個(gè)半圓柱體拼接而成，內(nèi)壁上開(kāi)有n個(gè)凹槽，這n個(gè)凹槽中任意兩個(gè)均不在同一圓周上，每個(gè)凹槽中布置有測(cè)溫傳感器，使溫度測(cè)量塞具有n個(gè)測(cè)溫層；熱電偶線(xiàn)6連接在測(cè)溫傳感器5的兩端，熱電偶線(xiàn)7伸出溫度測(cè)量塞4并經(jīng)隔熱裝置2底部的通孔伸出隔熱裝置2；n為大于1的自然數(shù)。

石英燈1位于隔熱裝置2和多層溫度測(cè)量裝置4上方；待測(cè)樣品3和多層溫度測(cè)量裝置均位于隔熱裝置2內(nèi)部，溫度測(cè)量塞固定在待測(cè)樣品3內(nèi)部，且溫度測(cè)量塞4外表面與待測(cè)樣品3通過(guò)密封膠固定連接；加熱電源7的一端與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)8的一端連接，加熱電源7的另一端與石英燈1連接，用于接收溫度信號(hào)并控制加熱電源的輸出功率。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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(xiàn)7連接，用于采集熱電偶線(xiàn)輸出的溫度信號(hào)并將該信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

溫度測(cè)量塞4采用與待測(cè)樣品3相同的材料制成。測(cè)溫傳感器的數(shù)量要求大于等于3個(gè)。

隔熱裝置2耐溫性要求高于待測(cè)樣品，采用熱導(dǎo)率小于等于0.05w/m·k，耐熱溫度大于等于1000℃的材料制成。隔熱裝置2安裝后要求上表面與待測(cè)樣品上表面齊平或高于待測(cè)樣品上表面，下表面打孔用于溫度測(cè)量塞線(xiàn)纜的伸出及隔熱保護(hù)。

當(dāng)樹(shù)脂基防熱材料溫度升高到某一溫度時(shí)，樹(shù)脂基防熱材料會(huì)出現(xiàn)熱解反應(yīng)。材料的最外層為燒蝕區(qū)，厚度為材料的燒蝕后退距離。接下來(lái)為碳化層，主要是材料熱解后剩余的骨架，以及流動(dòng)的熱解氣體。然后主要是熱解區(qū)，此層內(nèi)的有機(jī)物發(fā)生熱解，產(chǎn)生大量的氣體。最后為原始區(qū)。

利用上述測(cè)量裝置測(cè)量樹(shù)脂基防熱材料碳化層高溫動(dòng)態(tài)熱導(dǎo)率的方法，包括如下步驟：

(3.1)打開(kāi)加熱電源，溫度采集裝置通過(guò)熱電偶線(xiàn)實(shí)時(shí)采集每個(gè)測(cè)溫傳感器的溫度，并輸出給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；

(3.3)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)溫度采集裝置的輸出數(shù)據(jù)，獲得0-tfs內(nèi)，待測(cè)樣品每一層的溫度歷程，其中待測(cè)樣品的第m層是指待測(cè)樣品與溫度測(cè)量塞4第m層測(cè)溫層相對(duì)應(yīng)的位置，待測(cè)樣品的第m層溫度是指溫度測(cè)量塞第m層凹槽(測(cè)溫層)中測(cè)溫傳感器測(cè)得的溫度值，m值為從1到n的自然數(shù)，n為溫度測(cè)量塞4的層數(shù)；

(3.2)建立如下目標(biāo)函數(shù)：

其中j為最小時(shí)計(jì)算得到的待測(cè)樣品碳化層熱導(dǎo)率即為實(shí)際待測(cè)樣品碳化層熱導(dǎo)率。

式中，為待測(cè)樣品第t秒時(shí)第m層的溫度，t(xm,t)為待測(cè)樣品第t秒時(shí)第m層的溫度計(jì)算值，xm為溫度測(cè)量塞4第m層與第1層之間的距離。

利用如下方程計(jì)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＝xn時(shí)，x＝x1時(shí)，0時(shí)刻任意層的溫度t(x,0)＝t0；ρs和cs分別為第t秒時(shí)防熱材料的密度和比熱，ρg和cg分別為第t秒時(shí)熱解氣體的密度和比熱，分別為熱解氣體的單位面積質(zhì)量流量和生成率；δhp樹(shù)脂基防熱材料中樹(shù)脂的分解熱，ks為第t秒時(shí)樹(shù)脂基防熱材料的熱導(dǎo)率。s2為原始區(qū)與熱解區(qū)的截面位置，s3為碳化層與熱解區(qū)的截面位置，ρv為第t秒時(shí)原始區(qū)的密度，ρc為碳化層的密度，bp、e、r為arrennious熱解方程中的常數(shù)。

第t秒時(shí)樹(shù)脂基防熱材料熱導(dǎo)率的確定方法如下：

ρs大于樹(shù)脂基防熱材料原始密度0.9倍的區(qū)域，為原始區(qū)，該區(qū)域ks＝kv，kv為樹(shù)脂基防熱材料的原始熱導(dǎo)率；

ρs小于樹(shù)脂基防熱材料原始密度0.7倍的區(qū)域，為碳化層，碳化層ks＝kc，kc為樹(shù)脂基防熱材料碳化層的熱導(dǎo)率；

ρs小于樹(shù)脂基防熱材料原始密度0.9倍、且大于樹(shù)脂基防熱材料原始密度0.7倍的區(qū)域，為熱解區(qū)，該區(qū)域ks＝kc+(kv-kc)q，

碳化層熱導(dǎo)率求解方法如下：

利用拉格朗日乘數(shù)法將轉(zhuǎn)化為使如下目標(biāo)函數(shù)達(dá)到極小的無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題：

λ(x,t)為伴隨變量，伴隨變量滿(mǎn)足下面控制方程：

δ(x-xm)表示x-xm的變分，x′為x的導(dǎo)數(shù)。

材料熱導(dǎo)率隨密度的變化關(guān)系式按ks＝kc+(kv-kc)q選取，其中

其中kc和kv又與溫度相關(guān)，將kv可能的溫度范圍[t0,tr]分為m個(gè)區(qū)間，其在各溫度區(qū)間內(nèi)取常數(shù)，則將kc可能的溫度范圍[t0,tm]分為p個(gè)區(qū)間，其在各溫度區(qū)間內(nèi)取常數(shù)，則kvi為第i個(gè)溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)的材料原始區(qū)熱導(dǎo)率取值，kci為第i個(gè)溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)的材料碳化層熱導(dǎo)率取值，φi(t)表示分段函數(shù)，tr取樹(shù)脂基防熱材料的熱解溫度，tm取溫度測(cè)量塞測(cè)得的最高溫度。

于是可以得到梯度:

根據(jù)上面得到的和按照最速下降法進(jìn)行迭代優(yōu)化計(jì)算得到j(luò)的最小值，此時(shí)對(duì)應(yīng)得到的kc即為實(shí)際待測(cè)樣品的碳化層熱導(dǎo)率。

本發(fā)明測(cè)量裝置對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行非接觸一維近似加熱，能夠同時(shí)測(cè)得待測(cè)樣品多層的溫度，避免了對(duì)待測(cè)樣品的破壞；同時(shí)結(jié)合本發(fā)明給出的測(cè)量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)一次測(cè)量獲得多個(gè)溫度下的熱導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)了碳化層高溫?zé)釋?dǎo)率的動(dòng)態(tài)測(cè)量。本發(fā)明測(cè)量方法通過(guò)反向求解防熱材料的熱傳導(dǎo)方程獲得熱導(dǎo)率，不需要單獨(dú)制備碳化層樣品，降低了對(duì)測(cè)量樣品的尺寸和外形要求，待測(cè)樣品可以是任何成型的固體防熱材料，測(cè)量范圍廣。

本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。