CN109444215B - 非稳态超高温隔热性能试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非稳态超高温隔热性能试验装置及试验方法，非稳态超高温隔热性能试验装置包括加热炉，中空的试验台；加热炉，其包括炉体，所述炉体包括炉壳、设于炉壳内的电加热体和设于电加热体与炉壳之间的炉壳保温层；所述炉壳与试验台连接形成密闭的第一空腔；样品仓，其与所述试验台连接形成密闭的第二空腔，且所述第二空腔与第一空腔相互连通以构成空腔结构；所述试验台和炉壳上分别具有连通内外的进气口和出气口，所述进气口和出气口上分别设有阀门。本发明所涉及的装置同时实现了封闭环境内、高热流密度、非稳态测试，多样品等高速飞行器动力装置用隔热材料所处的使用环境。

Description

非稳态超高温隔热性能试验装置及试验方法

技术领域置

本发明涉及隔热性能试验技术领域，尤其涉及一种非稳态超高温隔热性能试验装置及试验方法。

背景技术

目前针对隔热材料高温隔热性能的测试装置可以分为如下几类，第一类材料隔热性能测试装置为辐照式隔热测试装置，其中辐照光源主要为石英灯(CN101907422B，CN103439133A，CN104064929A，CN102967623A)，另有少量装置的光源为激光(CN103196943A)，此类装置最大缺点为仅采用红外辐照对样品加热，热流密度相对较低，且测量环境多为开放式或半封闭式(样品部分保温)，样品接受热流升温的同时也会向空间进行自发辐射及与周围空气进行对流传热。另外，此类装置测试温度一般低于1400℃，难于模拟隔热材料实际的应用环境。第二类隔热性能测试装置加热源为火焰，包括氧乙炔火焰及等离子焰(蔺晓轩等，轻质复合材料高温隔热性能，复合材料学报，2011年01期)，二者共同的特点是测试温度较高，火焰温度可达2000℃以上，其中等离子焰可达4000℃。由于火焰加热产生大量废气，因此，此类装置都为开放式。而且由于火焰直接对样品进行加热，会对样品产生气流冲蚀作用。第三类是采用发热体电加热的平板隔热性能测量装置，主要采用碳化硅或二硅化钼发热体，最高温度不超过1600℃，且该类装置只能在空气气氛测量，测试环境为封闭式。第四类为风洞试验装置，此类装置可以最大限度模拟导弹等高速飞行器的实际工况，但是该类设备建造及使用成本极高，测试周期长，适用于整机模拟测试，不适合常规的材料性能研究。

为了解决上述四类隔热性能测试装置存在的不足，第一类设备(测试温度低，热流密度低)，第二类设备(大量产气，试验环境为开放式)，第三类设备(测试温度低)，第四类设备(成本高、测试周期长、测样品品制备困难，不适于科研)，本申请人发明了能够应用在2000℃以上的全封闭式超高温隔热性能试验装置(CN104569046A)，经使用发现，该装置虽然实现了全封闭式超高温的试验环境，但是由于升温速度相对较慢，升温时间超过30分钟。由于升温时间过长，造成发热体热量向炉体的保温材料及样品进行了辐射，使整个炉体内的环境温度升高，在未达到测试温度以前，样品已经达到较高的温度，使此类测试环境达到了稳态传热测试，与导弹等高速飞行器中隔热材料所处的非稳态传热的应用条件差别极大。

综上所述，经过相关文献查询，目前尚无非稳态封闭式超高温(2200℃以上)的隔热性能测试装置。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种非稳态超高温隔热性能试验装置及试验方法，主要目的是提供一种封闭环境下进行超高温隔热性能测试，使测试最大限度模拟实际工作条件。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种非稳态超高温隔热性能试验装置，包括：

中空的试验台；

加热炉，其包括炉体，所述炉体包括炉壳、设于炉壳内的电加热体和设于电加热体与炉壳之间的炉壳保温层；所述炉壳与试验台连接形成密闭的第一空腔；

样品仓，其与所述试验台连接形成密闭的第二空腔，且所述第二空腔与第一空腔相互连通以形成空腔结构；

所述试验台和炉壳上分别具有连通内外的进气口和出气口，所述进气口和出气口上分别设有阀门。

作为优选，所述试验台的顶面开设有多个圆孔；还包括纵向贯穿所述试验台的可旋转支架和可带动所述支架垂直运动的升降装置，所述可旋转支架穿过多个所述圆孔后固接有用于放置保温材料的第一样品盘及用于放置样品的多个第二样品盘，且所述第一样品盘及第二样品盘凸出于所述试验台的顶面之上，且所述第二样品盘在可旋转支架的带动下能旋转0-360度以便于更换样品；所述炉壳与所述升降装置连接，所述炉体在所述升降装置的带动下与试验台连接或分离。

作为优选，所述炉体与试验台连接时，所述炉壳的下端固定于所述试验台的顶面并通过密封件密封。

作为优选，所述样品仓与试验台连接时，所述样品仓下端固定于所述试验台的顶面并通过密封件密封。

作为优选，所述电加热体上固定连接有铜电极，所述电极穿过炉壳后与电缆相连；所述电加热体与设于样品顶面的导热垫片相接触，所述电加热体通过导热垫片与样品实现接触式热传导。

作为优选，所述电加热体为石墨电加热体；所述导热垫片为绝缘体。

作为优选，还包括：

样品测温单元，测量样品冷面温度；

电加热体测温单元，测量电加热体温度。

作为优选，所述样品测温单元为设于试验台下部的红外测温传感器；所述电加热体测温单元为设于炉壳上的红外测温传感器。

作为优选，还包括计算机控制单元，对样品测温单元获取的样品冷面温度数据和电加热体测温单元获取的电加热体温度数据进行转换、存储及分析。

作为优选，还包括控制仪表单元，用于控制样品测温单元测定样品温度、电加热体测温单元测定电加热体温度；所述控制仪表单元还控制电加热体的升温速率、最终温度、进气流量、进气口以及排气口的阀门开闭。

作为优选，所述计算机控制单元与控制仪表单元集成于控制柜内。

作为优选，所述炉壳和试验台上分别具有金属材质的水套。

作为优选，所述水套上分别设有进水口和排水口。

作为优选，所述进气口和出气口上分别设有手动阀门和电磁阀。

另一方面，本发明实施例提供了一种非稳态超高温隔热性能试验方法，采用上述的试验装置，包括如下步骤：

步骤一，将样品仓与试验台分离，将待测的样品置于多个可旋转支架上的第二样品盘内，在样品上加盖导热垫片，并将样品仓与试验台锁紧密封；

步骤二，将样品仓与试验台连接，样品仓、炉体与试验台之间形成密闭的空腔结构，向炉体和试验台的水套内通入冷却水；

步骤三，关闭进气口和出气口，用真空泵通过出气口将空腔结构内抽至一定的真空度，然后通过进气口向空腔结构内充入氮气至1标准大气压后，打开进气口向空腔结构内冲入保护气体，关闭进气口，再次启动真空泵将空腔结构内抽至一定的真空度后，通过进气口向空腔结构内充入保护气体至1标准大气压；

步骤四，按设定的升温方案控制电加热体进行加热；

步骤五，通过电加热体测温单元电加热体温度，待发热体达到设定的最终温度后即进入保温；

步骤六，保温时间10分钟以后，利用可旋转支架启动更换样品操作，此时炉体中仅有保温材料封堵热量，位于可旋转支架上的第一样品盘及多个第二样品盘同时下降，下降至限位后进行90°旋转，旋转后复位至原高度，保证样品与导热垫片、导热垫片与电加热体无缝隙接触；

步骤七，样品测试达到设定时间后，重复步骤六，以测量其余样品，全部测量完成后，结束加热，待炉体冷却至100℃以下时，关闭气体和电源；

步骤八，升温过程中通过出气口排气或通过进气口补入保护气体以维持空腔结构内的压力。

作为优选，通过真空泵使空腔结构内压力降至20mbar。

作为优选，所述保护气体为氩气。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明所涉及的装置同时实现了封闭环境内、高热流密度(发热体与样品直接接触传热)、非稳态测试(样品从室温迅速升温至2450℃的冷面温度变化)，多样品(一次升温可以测量4至6个样品)等高速飞行器动力装置用隔热材料所处的使用环境。是一种环境要素模拟程度高，数据结果指导性强且经济便捷的隔热材料超高温测试手段，对于超高温隔热材料的研制有重大推动作用。

本发明所涉及的装置可填补超高温非稳态隔热性能测试领域的技术空白，可有效模拟高速飞行器发动机隔热材料的使用工况，该装置通过样品旋转支架实现了样品在预设的超高温环境下的非稳态隔热测试，并且可同时测量多个样品，缩短了测试周期，具有仿真程度高、操作方便、实用经济等特点。

附图说明

图1为本发明实施例的非稳态超高温隔热性能试验装置的结构示意图之一；

图2为本发明实施例的非稳态超高温隔热性能试验装置的结构示意图之二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。实施例中未尽之处均可采用现有技术。

图1为本发明实施例的非稳态超高温隔热性能试验装置的结构示意图之一；图2为本发明实施例的非稳态超高温隔热性能试验装置的结构示意图之二。如图1和图2所示，一种超高温隔热性能试验装置，包括：

中空的试验台100；

加热炉200，其包括炉体，所述炉体包括炉壳201、设于炉壳201内的电加热体202和设于电加热体202与炉壳201之间的炉壳保温层，所述炉壳201与试验台100连接形成密闭的第一空腔；

样品仓300，其与所述试验台100连接形成密闭的第二空腔，且所述第二空腔与第一空腔相互连通以形成空腔结构；

所述试验台100和炉壳201上分别具有连通内外的进气口101和出气口203，所述进气口101和出气口203上分别设有手动阀门和电磁阀。手动阀门用于在测试准备阶段进行抽真空和充入保护气体时进气口101和出气口203的启闭，电磁阀用于在测试过程中通过计算机控制单元800和控制仪表单元900进行自动控制以保证空腔结构内压力与外界平衡，当然为实现该目的，必然会有控制仪表单元900中的压力传感器用于获取空腔结构内的压力信息，并传递至计算机控制单元800。

作为上述实施例的优选，所述试验台100的顶面开设有多个圆孔。

作为上述实施例的优选，还包括纵向贯穿所述试验台的可旋转支架400和可带动所述可旋转支架400垂直运动的升降装置500，所述可旋转支架400穿过多个所述圆孔后固接有用于放置保温材料的一个第一样品盘401及用于放置样品的三个第二样品盘402，且所述第一样品盘401及第二样品盘402凸出于所述试验台100的顶面之上，从图1中可以看出，所述可旋转支架400可以实施为呈90°分布的四样品支架，也可以设计为呈72°分布的5样品支架及60°分布的6样品支架，由于炉体所占空间较大，为完成旋转升降操作，不宜设置超过6个样品以上的支架；所述第二样品盘402在可旋转支架400的带动下能旋转0-360度以便于更换样品。具体实施时，所述第一样品盘401和第二样品盘402的内径约为100mm。所述炉壳201与所述升降装置500连接，所述炉体在所述升降装置500的带动下与试验台100连接或分离。所述升降装置500的具体结构可从现有技术中选取，在此不再赘述。所述升降装置500可将炉体限定在任何位置，即当炉体与试验台100连接时，升降装置500还起到对炉体固定限位的作用。

作为上述实施例的优选，所述电加热体202上固定连接有铜电极204，所述铜电极204穿过炉壳201后与电缆相连。

作为上述实施例的优选，所述电加热体202与设于样品301的顶面的导热垫片302相接触，所述电加热体202通过导热垫片302与样品301实现接触式热传导，三者紧密接触，以保证接触热传导的热流密度。

作为上述实施例的优选，所述炉体与试验台100连接时，所述炉壳201的下端固定于所述试验台100的顶面并通过密封件密封。密封件一般采用密封圈，密封圈设于炉体与试验台100的连接处。

作为上述实施例的优选，所述样品仓300与试验台100连接时，所述样品仓300下端固定于所述试验台100的顶面并通过密封件密封。密封件一般采用密封圈，密封圈设于样品仓300与试验台100的连接处。

本发明能够实现模拟高速飞行器中隔热材料所处的环境条件，即超高温、高热流、封闭环境下所进行的非稳态传热条件。采用发热体直接接触式热传导，实现高热流密度；采用样品旋转升降装置，实现非稳态、多样品测试，可以使测试环境最大限度模拟实际工作条件。

作为上述实施例的优选，所述电加热体202为石墨电加热体。石墨电加热体加热温度高，可达2450℃，并且性能稳定，可以实现超高温隔热性能测试。电加热体202通过引线(未示出)与炉体外的电源连接，引线可以从适合的位置伸出自炉体。

作为上述实施例的优选，所述导热垫片302为绝缘体。这样采用的石墨电加热体的表面就不必有绝缘层，对石墨电加热体的要求低，利于低成本。

作为上述实施例的优选，还包括：

样品测温单元，测量样品冷面温度；

电加热体测温单元，测量电加热体温度。根据实测温度与设定的升温制度进行比对，根据反馈调整电加热体输出功率，实现实测温度与目标温度相吻合。

作为优选，所述样品测温单元600为设于试验台100下部的红外测温传感器；所述电加热体测温单元700为设于炉壳上的红外测温传感器。由于电加热体202的温度较高，所以采用红外测温方式更为适宜。红外测温传感器分别通过石英玻璃管(未示出)和石英玻璃管(未示出)连入炉壳201和试验台100内。

作为上述实施例的优选，还包括计算机控制单元800，对样品测温单元600获取的样品热面温度数据及冷面温度数据和电加热体测温单元700获取的电加热体温度数据进行转换、存储及分析，所述计算机控制单元800还控制电加热体202的升温速率及最终温度。还包括控制仪表单元900，控制样品测温单元600测定样品温度、电加热体测温单元700测定电加热体温度；还控制电加热体202的升温速率及最终温度。通过计算机控制单元800和控制仪表单元900不但可实现试验过程的自动控制，而且可对试验数据进行存储和分析，得到相应的实验结果。

作为上述实施例的优选，所述计算机控制单元800与控制仪表单元900集成于控制柜内。所述控制柜与试验台100之间固接有用于包覆动力电缆、电线及信号线的软管。

作为上述实施例的优选，所述炉壳201和试验台100上分别具有金属材质的炉体水套207和试验台水套104。所述炉体水套207上分别设有第一进水口205和第一排水口206；所述试验台水套104分别设有第二进水口102和第二排水口103。炉体水套207和试验台水套104的具体构造均选自现有技术，在此不再赘述。

另一方面，本发明实施例提供了一种超高温隔热性能试验方法，采用上述任一实施例的试验装置，包括如下步骤：

步骤一，将样品仓300与试验台100分离，将待测的样品301置于可旋转支架400上的第二样品盘402内，在样品301上加盖导热垫片302，并将样品仓300与试验台100锁紧密封；

步骤二，将样品仓300与试验台100连接，样品仓300、炉体与试验台100之间形成密闭的空腔结构，向炉体和试验台100的水套内通入冷却水；

步骤三，关闭进气口101和出气口203，用真空泵通过出气口203将空腔结构内抽至一定的真空度，然后通过进气口101向空腔结构内充入氮气至1标准大气压后，打开进气口向空腔结构内冲入保护气体，关闭进气口101，再次启动真空泵将空腔结构内抽至一定的真空度后，通过进气口101向空腔结构内充入保护气体至1标准大气压；

步骤四，按设定的升温方案控制电加热体202进行加热；

步骤五，通过电加热体测温单元700电加热体温度，待发热体达到设定的最终温度后即进入保温；

步骤六，保温时间10分钟以后，可以利用可旋转支架400启动更换样品操作，此时炉体中没有样品301，仅有保温材料303封堵热量(以防止大量热量进入试验台的内腔)，位于可旋转支架400上的一个第一样品盘401及三个第二样品盘402同时下降，下降至限位(三个第二样品盘402上的样品301均处于试验台的内腔)后进行90°旋转，旋转后复位至原高度，保证样品301与导热垫片302、导热垫片302与电加热体202无缝隙接触。位于样品301下部的保温材料303中部具有圆孔，可保证试验台100下部的样品测温单元600可以测量样品下部的温度变化。通过计算机控制单元800和控制仪表单元900将上下两个红外测温装置的采样数据在计算机测量界面绘制成曲线。

步骤七，样品测试达到设定时间后，重复步骤六，即可以测量第二个和第三个样品，全部测量完成后，即可结束加热程序，待炉体冷却至100℃以下时，关闭气体和电源。

步骤八，测试过程中通过出气口203排气或通过进气口101补入保护气体以维持空腔结构内的压力(微正压)。测试完成后整理、分析数据。

其中通过真空泵使空腔结构内压力降至20mbar。保护气体为氩气。当然，也可以先向炉体内冲入氮气，在最后一次充入保护气体后再充入氩气。

本发明采用炉体预先加热至超高温(2000℃以上)，通过可旋转支架在超高温条件下放置冷态样品进行测试，从而实现了样品由室温快速升温至超高温条件下的非稳态测试。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种非稳态超高温隔热性能试验装置，其特征在于，包括：

中空的试验台；

加热炉，其包括炉体，所述炉体包括炉壳、设于炉壳内的电加热体和设于电加热体与炉壳之间的炉壳保温层；所述炉壳与试验台连接形成密闭的第一空腔；

样品仓，其与所述试验台连接形成密闭的第二空腔，且所述第二空腔与第一空腔相互连通以构成空腔结构；

所述试验台和炉壳上分别具有连通内外的进气口和出气口，所述进气口和出气口上分别设有阀门；

所述电加热体为石墨电加热体；所述试验台的顶面开设有多个圆孔；还包括纵向贯穿所述试验台的可旋转支架和可带动所述支架垂直运动的升降装置，所述可旋转支架穿过多个所述圆孔后固接有用于放置保温材料的第一样品盘及用于放置样品的多个第二样品盘，且所述第一样品盘及第二样品盘凸出于所述试验台的顶面之上，且所述第二样品盘在可旋转支架的带动下能旋转0-360度；所述炉壳与所述升降装置连接，所述炉体在所述升降装置的带动下与试验台连接或分离。

2.根据权利要求1所述的超高温隔热性能试验装置，其特征在于，所述炉体与试验台连接时，所述炉壳的下端固定于所述试验台的顶面并通过密封件密封。

3.根据权利要求1所述的超高温隔热性能试验装置，其特征在于，所述样品仓与试验台连接时，所述样品仓下端固定于所述试验台的顶面并通过密封件密封。

4.根据权利要求1所述的超高温隔热性能试验装置，其特征在于，所述电加热体上固定连接有铜电极，所述电极穿过炉壳后与电缆相连；所述电加热体与设于样品顶面的导热垫片相接触，所述电加热体通过导热垫片与样品实现接触式热传导。

5.根据权利要求4所述的超高温隔热性能试验装置，其特征在于，所述导热垫片为绝缘体。

6.根据权利要求1所述的超高温隔热性能试验装置，其特征在于，还包括：

样品测温单元，测量样品冷面温度；

电加热体测温单元，测量电加热体温度；

所述样品测温单元为设于试验台下部的红外测温传感器；所述电加热体测温单元为设于炉壳上的红外测温传感器。

7.根据权利要求1所述的超高温隔热性能试验装置，其特征在于，还包括：

计算机控制单元，用于对样品测温单元获取的冷面温度数据和电加热体测温单元获取的电加热体温度数据进行转换、存储及分析；

控制仪表单元，用于控制样品测温单元测定样品温度、电加热体测温单元测定电加热体温度；所述控制仪表单元还控制电加热体的升温速率、最终温度、进气流量、进气口以及排气口的阀门开闭。

8.根据权利要求1所述的超高温隔热性能试验装置，其特征在于，所述炉壳和试验台上分别具有金属材质的水套；所述水套上分别设有进水口和排水口。

9.一种非稳态超高温隔热性能试验方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的试验装置，包括如下步骤：

步骤一，将样品仓与试验台分离，将待测的样品置于多个可旋转支架上的第二样品盘内，在样品上加盖导热垫片，并将样品仓与试验台锁紧密封；

步骤二，将样品仓与试验台连接，样品仓、炉体与试验台之间形成密闭的空腔结构，向炉体和试验台的水套内通入冷却水；

步骤三，关闭进气口和出气口，用真空泵通过出气口将空腔结构内抽至一定的真空度，然后通过进气口向空腔结构内充入氮气至1标准大气压后，打开进气口向空腔结构内冲入保护气体，关闭进气口，再次启动真空泵将空腔结构内抽至一定的真空度后，通过进气口向空腔结构内充入保护气体至1标准大气压；

步骤四，按设定的升温方案控制电加热体进行加热；

步骤五，通过电加热体测温单元电加热体温度，待发热体达到设定的最终温度后即进入保温；

步骤六，保温时间10分钟以后，利用可旋转支架启动更换样品操作，此时炉体中仅有保温材料封堵热量，位于可旋转支架上的第一样品盘及多个第二样品盘同时下降，下降至限位后进行90°旋转，旋转后复位至原高度，保证样品与导热垫片、导热垫片与电加热体无缝隙接触；

步骤七，样品测试达到设定时间后，重复步骤六，以测量其余样品，全部测量完成后，结束加热，待炉体冷却至100℃以下时，关闭气体和电源；

步骤八，升温过程中通过出气口排气或通过进气口补入保护气体以维持空腔结构内的压力。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其中通过真空泵使空腔结构内压力降至20mbar；所述保护气体为氩气。