本發(fā)明涉及一種在高溫恒壓環(huán)境下樹脂基復合材料熱解過程中的導熱系數(shù)測量儀器及測量方法，可測量樹脂基復合材料熱解模型熱解過程中的導熱系數(shù)，屬于航天熱防護領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在航空航天領(lǐng)域，超音速飛行器受到嚴重的氣動熱載荷，常用樹脂基復合材料作為熱防護材料，該材料在熱載荷作用下出現(xiàn)熱解形成熱解層熱解氣體+殘余的炭。熱解層的導熱系數(shù)是超音速飛行器熱防護設(shè)計的基本參數(shù)，該導熱系數(shù)與溫度、熱解過程和氣壓等有關(guān)。因此，準確測量高溫環(huán)境下熱解層的導熱系數(shù)具有重要意義。目前，中國國內(nèi)用于測量導熱系數(shù)的儀器無法恒定氣壓，且大多只能在500攝氏度以下測量，無法測量樹脂基復合材料熱解過程中的導熱系數(shù)。目前多數(shù)研究者采用線性擬合方法獲得估計值，但這種方法引起的誤差很大；部分院校在測量樹脂基復合材料的導熱系數(shù)時采用預先加熱至熱解溫度熱解后，再測量其導熱系數(shù)，該方法不能獲得熱解氣體對熱解層的影響，該方法測量的導熱系數(shù)非真實。

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)裝備的不足，發(fā)明一種在高溫恒壓環(huán)境下測量樹脂基復合材料熱解過程中的導熱系數(shù)的測量儀器及測量方法。

技術(shù)方案

本發(fā)明的目的是通過如下措施來達到：

本發(fā)明的熱解層導熱系數(shù)測量儀器由氣密外殼、結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)、液壓起重裝置、中心測量裝置、氬氣加壓裝置、冷卻水循環(huán)裝置、氣壓閥、面板控制系統(tǒng)組成。

氣密外殼包裹著中心測量裝置、液壓起重裝置、面板控制系統(tǒng)，氣密外殼上設(shè)有進水口、出水口連接冷卻水循環(huán)裝置，設(shè)有進氣口連接氬氣加壓裝置，在頂部設(shè)有出氣口安裝有氣壓閥，設(shè)有進料口，氣密外殼能耐高壓氣體，氣壓閥能夠滿足設(shè)定額定氣壓，使氣壓恒定在額定氣壓的需求。

結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)從功能上分為三層，上層安放中心測量裝置、中層安放液壓起重裝置、下層安放面板控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)滿足承載需要。

液壓起重裝置包括液壓機、傳動桿、壓力傳感器、托盤，其中壓力傳感器安裝在傳動桿、托盤之間，液壓機放置在結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)中層鋼板上，托盤上托著中心測量裝置中的待測材料、冷板、熱流計、水槽，傳動桿、壓力傳感器、托盤能夠在中心測量裝置的爐膛內(nèi)上下移動；壓力傳感器的信號經(jīng)數(shù)據(jù)線傳輸并顯示在面板控制系統(tǒng)，面板控制系統(tǒng)可以調(diào)控液壓機的壓力輸出，組成液壓系統(tǒng)的閉環(huán)回路。

中心測量裝置放置在結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)的上層，其組成如下：加熱元件、熱板固定在爐膛上，爐膛由鋼板支撐，其余部分安放在液壓起重裝置的托盤上，且從上往下依次為待測材料、冷板、熱流計、水槽，熱板熱電偶固定于熱板的下表面，冷板熱電偶固定于冷板的上表面；熱板熱電偶、冷板熱電偶、熱流計輸出的信號經(jīng)數(shù)據(jù)線傳輸并分別顯示在面板控制系統(tǒng)上，面板控制系統(tǒng)可以調(diào)控加熱元件的溫度輸出，組成中心測量裝置的加熱溫度的閉環(huán)回路。

氬氣加壓裝置包括氬氣加壓機、軟管，氬氣加壓機外置在氣密外殼外，經(jīng)軟管與氣密外殼上的進氣口緊密連接，氬氣加壓裝置能滿足排出儀器內(nèi)空氣并且對儀器內(nèi)進行氣體加壓的需要。

冷卻水循環(huán)裝置包括水機、軟管，水機外置在氣密外殼外，經(jīng)軟管與氣密外殼上的進水口、出水口緊密連接，水機能滿足提供恒定溫度、恒定流速的冷卻水并能完成水的循環(huán)。

面板控制系統(tǒng)放置在結(jié)構(gòu)下層，通過導線與液壓機、加熱元件、熱板熱電偶、冷板熱電偶、熱流計連接，組成液壓、加熱溫度的閉環(huán)回路。

該儀器的測量方法按以下步驟進行：

1、按要求加工試樣，試樣的尺寸為長、寬100mm，高度在10mm-50mm，在試樣制備時，還需要按實驗需要,將熱電偶絲沿高度方向置入待測材料內(nèi)部，并將熱電偶絲的導線外露在待測材料外；

2、打開面板控制系統(tǒng)開關(guān)，顯示屏顯示正常；打開儀器進料口，放置預制的待測材料標準件，將材料內(nèi)的熱電偶的導線同面板控制系統(tǒng)連接，關(guān)閉進料口；開啟液壓裝置，設(shè)置液壓壓力；開啟氬氣加壓裝置，設(shè)置氣壓壓力；打開冷卻水循環(huán)裝置；

3、20分鐘后，設(shè)置加熱元件的加熱溫度為待測材料熱解溫度的70％處，預熱10分鐘后再設(shè)置加熱元件的加熱溫度為待測材料的熱解溫度的90％處，待熱板熱電偶、冷板熱電偶、預埋在待測材料內(nèi)的多組熱電偶絲輸出值基本穩(wěn)定，記錄各組熱電偶、熱電偶絲的輸出值；

4、停止冷水降溫，降下水槽，對待測材料進行緩慢加熱至熱解完全的溫度，待預埋在待測材料內(nèi)的某組熱電偶絲輸出值為熱解溫度，記錄各組熱電偶、熱電偶絲的輸出值；

5、繼續(xù)對待測材料進行加熱，待冷板熱電偶輸出值為熱解完全溫度時，繼續(xù)保持加熱2小時，之后打開冷水循環(huán)并升起水槽，待各組熱電偶、熱電偶絲輸出值穩(wěn)定時，記錄各組熱電偶、熱電偶絲的輸出值；

6、根據(jù)實驗需要，可以重新設(shè)置氣壓、加熱路徑并重復1-5的實驗過程，如實驗結(jié)束，按下列步驟關(guān)閉儀器：

關(guān)閉儀器時，先關(guān)閉加熱元件，待熱板熱電偶輸出值降至室溫，關(guān)閉氬氣加壓裝置及冷水循環(huán)裝置，打開進料口，取出待測材料，關(guān)閉進料口，檢查整理無誤后關(guān)閉面板控制系統(tǒng)；7、對記錄的實驗值進行實驗處理，得到熱解層的導熱系數(shù)以及導熱系數(shù)同溫度、氣壓的函數(shù)關(guān)系。

發(fā)明優(yōu)點

本發(fā)明提出了一種高溫恒壓環(huán)境下樹脂基復合材料熱解過程中的導熱系數(shù)的測量儀器及測量方法，高溫環(huán)境可達到1200℃，彌補了現(xiàn)有裝備技術(shù)的不足；實驗設(shè)備容易制作，方便于教學實驗和科研；測量過程實現(xiàn)數(shù)字化，與連續(xù)化，可獲得樹脂基復合材料熱解過程中的導熱系數(shù)同溫度、環(huán)境氣壓的關(guān)系。

附圖說明

為了更好理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖作進一步說明。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)布置圖。

圖2是圖1中測量裝置200的局部細化圖。

圖3是本發(fā)明的電路布置圖。

圖4是本發(fā)明的溫度控制回路與液壓裝置控制回路示意圖。

圖5是本發(fā)明的水路控制示意圖。

圖6是本發(fā)明的氣壓控制回路與氣體擴散示意圖。

圖中各部件如下：

氣密外殼100：進水口101、出水口102、進氣口103、出氣口104、電源105、進料口106；

中心測量裝置200：加熱元件201、熱板202、爐膛203、待測材料204、冷板205、熱流計206、水槽207、熱板熱電偶、冷板熱電偶209；

液壓起重裝置300：液壓機301、承力桿302、壓力傳感器303、托盤304；

面板控制裝置400；

氣壓閥500；

氬氣加壓裝置600：氬氣加壓機m2、軟管601；

冷卻水循環(huán)裝置700：水機m1、軟管701；

結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)800：上層鋼板801、中層鋼板802、上層鋼板開孔803、中層鋼板開孔804。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種高溫恒壓環(huán)境下測量樹脂基復合材料熱解過程中的導熱系數(shù)的儀器及測量方法，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明的整體裝置布置如下見附圖1

結(jié)構(gòu)外部由氣密外殼100保護，氣密外殼上留有進水口101、出水口102、進氣口103和氣壓閥104；內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為三層，由鋼板801與鋼板802隔開；鋼板801上開有孔洞803、鋼板802上開有孔洞804以便管線通過；結(jié)構(gòu)上層安放測量裝置200；中層安放液壓起重裝置300，液壓起重裝置包括液壓機301、承力桿302、壓力傳感器303、托盤304，其中壓力傳感器303安裝在承力桿302與托盤304之間；下層安放面板控制裝置400；水機m1經(jīng)軟管701連接進水口101與出水口102，組成冷卻水循環(huán)系統(tǒng)700；氬氣加壓機m2經(jīng)軟管601連接進氣口103，組成氬氣加壓系統(tǒng)600；儀器由電源105統(tǒng)一供電。

本發(fā)明的測量裝置200的布置如下見附圖2：

加熱元件201、熱板202固定在爐膛203上，爐膛由鋼板801支撐，其余部分安放在液壓起重裝置的托盤304上，且從上往下依次為待測材料204、冷板205、熱流計206、水槽207，熱板熱電偶208固定于熱板202的下表面，冷板熱電偶209固定于冷板205的上表面，該裝置滿足穩(wěn)態(tài)法測導熱系數(shù)的需要。

本發(fā)明的電路布置如下見附圖3：

儀器的氣壓閥500、加熱元件201、熱板熱電偶208、冷板熱電偶209、液壓裝置300并聯(lián)后與面板控制400串聯(lián)，之后再與水機m1、氬氣加壓機m2并聯(lián)，并由電源105統(tǒng)一供電。儀器內(nèi)部的導線由孔803、孔804穿過，滿足儀器各部件的電力需求。

本發(fā)明的溫度控制回路與液壓裝置控制回路布置如下見附圖4

加熱元件201、熱板熱電偶208、冷板熱電偶209的溫度輸出經(jīng)數(shù)據(jù)線與處理器400連接，并將處理后的信號反饋給加熱元件201，形成閉環(huán)回路ⅰ，該部分滿足溫度控制與判斷是否到達穩(wěn)態(tài)的需要。

壓力傳感器303的壓力輸出經(jīng)數(shù)據(jù)線與處理器400連接，并將處理后的信號反饋給液壓機301，形成閉環(huán)回路ⅱ，該部分滿足保證材料與熱板的絕對接觸同時又保護材料的需要。

本發(fā)明的水路布置如下見附圖5：

由水機m1提供的恒低溫、恒速的水經(jīng)軟管701由入水口101緩慢進入水槽207，并經(jīng)出水口102流回水機m1，形成循環(huán)水流，該部分滿足提供恒溫恒速冷卻水的需要。

本發(fā)明的氣體控制圖布置如下見附圖6：

由氬氣加壓機m2供應高壓氬氣經(jīng)軟管601由進氣口103進入儀器并擴散至儀器各處，并在壓力超過氣壓閥500的額定閥值時由氣壓閥泄出，該部分滿足惰性氣體排出空氣、惰性氣體加壓的需要。

本發(fā)明的測量方法按如下步驟進行：

1、按要求加工試樣，試樣的尺寸為長、寬100mm，高度在10mm-50mm，在試樣制備時，還需要按實驗需要,將熱電偶絲沿高度方向置入待測材料204內(nèi)部，并將熱電偶絲的導線外露在待測材料204外；

2、打開面板控制系統(tǒng)400開關(guān)，顯示屏顯示正常；打開儀器進料口106，放置預制的待測材料標準件204，將材料內(nèi)的熱電偶的導線同面板控制系統(tǒng)(400)連接，關(guān)閉進料口106；開啟液壓裝置300，設(shè)置液壓壓力；開啟氬氣加壓裝置600，設(shè)置氣壓壓力；打開冷卻水循環(huán)裝置700；

3、20分鐘后，設(shè)置加熱元件201的加熱溫度為待測材料204熱解溫度的70％處，預熱10分鐘后再設(shè)置加熱元件201的加熱溫度為待測材料204的熱解溫度的90％處，待熱板熱電偶208、冷板熱電偶209、預埋在待測材料204內(nèi)的多組熱電偶絲輸出值基本穩(wěn)定，記錄各組熱電偶、熱電偶絲的輸出值；

4、停止冷水降溫，降下水槽207，對待測材料204進行緩慢加熱至熱解完全的溫度，待預埋在待測材料204內(nèi)的某組熱電偶絲輸出值為熱解溫度，記錄各組熱電偶、熱電偶絲的輸出值；

5、繼續(xù)對待測材料204進行加熱，待冷板熱電偶209輸出值為熱解完全溫度時，繼續(xù)保持加熱2小時，之后打開冷水循環(huán)并升起水槽207，待各組熱電偶、熱電偶絲輸出值穩(wěn)定時，記錄各組熱電偶、熱電偶絲的輸出值；

6、根據(jù)實驗需要，可以重新設(shè)置氣壓、加熱路徑并重復1-5的實驗過程，如實驗結(jié)束，按下列步驟關(guān)閉儀器：

關(guān)閉儀器時，先關(guān)閉加熱元件201，待熱板熱電偶208輸出值降至室溫，關(guān)閉氬氣加壓裝置600及冷水循環(huán)裝置700，打開進料口106，取出待測材料204，關(guān)閉進料口106，檢查整理無誤后關(guān)閉面板控制系統(tǒng)400；

7、對記錄的實驗值進行實驗處理，得到熱解層的導熱系數(shù)以及導熱系數(shù)同溫度、氣壓的函數(shù)關(guān)系。