一种1700℃极端高温环境下轻质防热材料热/振耦合试验测试装置

摘要

本发明提供一种1700℃极端高温环境下轻质防热材料热/振耦合试验测试装置,包括轻质耐高温隔热材料试验件、金属钨罩、耐高温金属螺栓、隔热平台、双铂铑温度传感器、高温陶瓷管、工控计算机、高温无机胶隔离涂层和双铂铑丝。该装置能够实现高超声速飞行器轻质隔热材料在1700℃极端高温环境下的抗振动性能试验测试，为远程高超声速飞行器所使用的低密度轻质高效隔热材料在超高温环境下的抗振动能力、防隔热性能以及安全可靠性设计提供重要依据。对高超声速飞行器的研制具有重要的工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，涉及一种1700℃极端高温环境下轻质防热材料热/振耦合试验测试装置,特别是该装置能够实现高超声速飞行器轻质隔热材料在1700℃极端高温环境下的抗振动性能试验测试，为高超声速远程飞行器所使用的低密度轻质隔热材料在超高温环境下的抗振动能力、防隔热性能性以及安全可靠性设计提供重要依据。

背景技术

高超声速飞行器能够实现全球远距离快速到达，实施有效的高空高速突防，完成快速精确打击。由于具有极其重要的军事应用价值，对国家安全具有重大的战略意义，目前高超声速飞行器已经成为世界各主要航天大国的研究热点。

高速的气动加热使得高超声速飞行器面临极为严酷的热边界环境，有些关键部位的温度高达1700℃，而且持续时间长达数百秒甚至数千秒。由于高超声速飞行器内部安装有电子仪器、控制系统以及战斗部等部件，舱内温度要求在几十度以内，因此，必须采用轻质高效隔热材料制作热防护结构，以保证内部设备的安全。

高效低导热率的轻质耐高温隔热材料有氧化锆材料、多孔陶瓷和纳米材料等，虽然这些热防热材料具有质量轻，防热性能好的优点。但是，由于材料中存在大量细微孔洞，结构松散，抵抗振动的能力比较低。远程高超声速飞行器处于长时间的高温和剧烈振动耦合环境中，剧烈的抖动会导致轻质防热材料或热防护结构出现裂纹、错位、剥离或脱落，造成严重的热泄露甚至引起致命的安全事故。美国军方研制的高超声速飞行器HTV-2，在高马赫数试飞时，热防护材料出现振动剥离，气动热参数超过设计指标两个数量级，导致试验失败。美国“哥伦比亚号”航天飞机由于外部燃料箱防护材料在强振动下脱落，造成机翼前端热防护系统出现裂痕，高温气体从裂痕处进入机翼，导致爆炸解体，七名宇航员死亡，损失极为惨重。因此为了保证远程高超声速飞行器的安全可靠性，必须对防热材料、防热结构进行高温振动条件下的热/振耦合地面验证试验，模拟高超声速飞行器高马赫数飞行过程中的极端高温与强振动的复合环境，通过热/振耦合试验方法检验防热材料和结构在高温环境下的抗振动能力、防隔热效果以及稳定性和可靠性。这项工作对于高超声速飞行器的安全设计和可靠性评估具有极为重要的意义。

但是，目前尚未有能够在高达1700℃的极端高温环境下能对高超声速飞行器防热材料的抗振动性能进行热/振耦合试验测试的装置。为了确认高超声速飞行器防热材料与结构在恶劣的高温强振动复合环境下的可靠性，保证远程飞行安全，高超声速飞行器的研制部门对于高达1700℃热振耦合环境下防热材料的抗振性能测试提出了迫切需求，因此，极端高温环境下高超声速飞行器隔热材料热/振耦合试验测试装置的研制是一项具有挑战性的课题，并且具有非常重要军事工程应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种1700℃极端高温环境下轻质防热材料热/振耦合试验测试装置,特别是该装置能够解决多孔低密度轻质隔热材料在强振动与极端高温耦合环境下，疏松材料表面温度难于准确测量与控制的难题，实现高超声速飞行器轻质隔热材料在1700℃极端高温环境下的抗振动性能试验测试。为高超声速远程飞行器所使用的低密度多孔轻质隔热材料超高温环境下的抗振动能力、防隔热性能的获取以及防热结构的安全可靠性设计提供重要依据。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种1700℃极端高温环境下轻质防热材料热/振耦合试验测试装置,包括：轻质耐高温隔热材料试验件、金属钨罩、耐高温金属螺栓、隔热平台、双铂铑温度传感器、高温陶瓷管、工控计算机、高温无机胶隔离涂层、柔性陶瓷纤维隔热毡、振动台驱动控制器、激振台体、振动平台、硅钼棒加热阵列、高温陶瓷架、高温陶瓷隔热板A、高温陶瓷隔热板B、透热方孔和双铂铑丝；所述轻质耐高温隔热材料试验件的尺寸与金属钨罩的内部空间紧密配合，并压紧卡装在金属钨罩之中。通过耐高温金属螺栓将金属钨罩紧固在隔热平台的中部。通过等离子焊接方式将双铂铑温度传感器的测温端焊接在金属钨罩的上表面中心部位。双铂铑温度传感器的两根金属丝上均套装有可耐1800℃的氧化铝耐高温绝缘陶瓷管。另外，将数段可耐1800℃的高温贵金属双铂铑丝紧压在高温陶瓷管上，并通过离子焊方法将双铂铑丝的两端焊接在金属钨罩上，使得双铂铑温度传感器被进一步紧固在金属钨罩的上表面，双铂铑温度传感器的冷端连接到工控计算机，工控计算机根据双铂铑温度传感器测出的温度信号对热/振耦合环境下的金属钨罩上表面温度进行测量与控制。虽然金属钨的熔点很高约为3380℃，但在高温下金属钨会出现氧化剥离。为防止金属钨罩表面在1700℃极端高温有氧环境下出现氧化剥离，在金属钨罩的上表面涂覆高温无机胶隔离涂层，使金属钨罩在高温下与空气隔离，阻断其表面的氧化行为。本发明可在极端恶劣的1700℃高温振动耦合环境下，对金属钨罩的上表面温度进行动态测量和控制。

进一步的，所述的数小段可耐1800℃高温的双铂铑丝被紧压在高温陶瓷管上，双铂铑丝的两端通过等离子焊接方法融接在金属钨罩的上表面，对双铂铑温度传感器进行固定；另外，双铂铑温度传感器与金属钨罩之间涂有可耐1700℃高温的无机胶进行粘接固定。通过复合加强固定方式，确保在1700℃极端高温与振动耦合环境下，双铂铑温度传感器与金属钨罩不会分离，保证热/振耦合试验成功。

进一步的，所述金属钨罩厚度较薄，为3mm-4mm。由于金属材料导热率高，导热很快，3mm-4mm的薄金属钨罩在很短的时间内受热面的内、外表面温度就可达到一致。因此当热源对金属钨罩加热时，轻质耐高温隔热材料试验件受热面温度迟滞效应非常小，基本上与金属钨罩热面温度相同。本发明通过对耐高温、导热快、高强度的金属钨罩表面进行温度控制，并将轻质耐高温隔热材料试验件紧压在金属钨罩之中，有效解决了在强振动环境下，疏松的轻质耐高温隔热材料试验件表面温度难于确定的问题，成功实现了1700℃高温环境下，对导热系数和密度很低，表面疏松的高超声速飞行器轻质耐高温隔热材料的热/振耦合试验测试。

进一步的，所述涂覆在金属钨罩上表面的高温无机胶隔离涂层的主要成份为氧化铝和硅酸盐，高温无机胶隔离涂层能够阻隔金属钨罩与空气的接触，防止在1700℃高温环境下金属钨罩出现高温氧化剥离。

进一步的，所述金属钨罩的四周边安装有能够耐受1700℃高温的柔性陶瓷纤维隔热毡，柔性陶瓷纤维隔热毡的受热面与金属钨罩的上表面平齐。柔性陶瓷纤维隔热毡降低了金属钨罩周边的热传导。同时柔性陶瓷纤维隔热毡可使高温金属螺栓的周边温度降低到高温金属螺栓安全工作温度以下，保证了只能工作在1000℃以下的高温金属螺栓的安全性和可靠性。

进一步的，所述硅钼棒加热阵列被固定在绝缘的高温陶瓷架上，高温陶瓷架上有一排等间距的圆孔，硅钼棒加热阵列水平放置，插入到高温陶瓷架的圆孔中。工控计算机控制并调节硅钼棒加热阵列两端的电压，硅钼棒加热阵列生成高达1700℃的极端高温热环境。

进一步的，所述硅钼棒加热阵列的上、下部均安装有高温陶瓷隔热板，防止热源产生的高温向外部泄露。处于硅钼棒加热阵列与金属钨罩之间的那块高温陶瓷隔热板的中部有一个正方形的透热方孔，硅钼棒加热阵列产生的高温经过透热方孔辐射至金属钨罩的表面，对卡装紧固在金属钨罩中的轻质耐高温隔热材料试验件进行加热。

进一步的，所述振动台驱动控制器发出大功率随机振动信号，驱动处于激振台体上部的振动平台上下振动，对卡装在金属钨罩内的轻质耐高温隔热材料试验件进行高温环境下抗振动性能测试。金属的隔离平台被水平固定在振动平台上，隔热平台的内部加工有廻形水冷通道，高温热/振耦合试验时廻形水冷通道内部流过冷却水对隔热平台进行降温，隔热平台保证了价格昂贵的和易于损坏的振动设备在1700℃高温下能够长时间的可靠工作。

进一步的，所述双铂铑温度传感器为可在1800℃高温氧化环境中可靠工作的贵金属铂铑材料，双铂铑温度传感器的金属丝的直径为0.6-1.0mm。

本发明的原理如下：

为解决高超声速飞行器多孔低密度轻质隔热材料在强振动与极端高温耦合环境下，疏松材料表面温度难于准确测量与控制的难题，实现高超声速飞行器低密度隔热材料在1700℃极端高温环境下的抗振动性能试验测试。将轻质耐高温隔热材料试验件卡装在耐高温的金属钨罩中，并将高温双铂铑温度传感器的测温端通过等离子焊接法焊接在金属钨罩的上表面的中部。通过高温金属螺栓将金属钨罩紧固在隔热平台上。为了防止双铂铑温度传感器在强振动下脱落导致试验失败，将数段可耐1800℃高温的双铂铑丝紧压在装有氧化铝耐高温绝缘陶瓷管的双铂铑温度传感器上，双铂铑丝的两端通过等离子焊接方法融接在金属钨罩的上表面，对双铂铑测温传感器进行固定；另外，双铂铑温度传感器与金属钨罩之间涂有可耐1700℃高温的无机胶进行粘接固定。通过多种复合固定方式，确保在1700℃极端高温与振动耦合环境下，双铂铑温度传感器与金属钨罩不会分离，确保热/振耦合试验的成功。由于熔点3380℃的金属钨在高温有氧环境下会出现氧化剥离现象，因此，在金属钨罩的表面涂覆高温无机胶隔离涂层，使金属钨罩在高温下与空气隔离，阻断其表面的氧化行为，保证双铂铑测温传感器在极端高温下在金属钨罩上的可靠固定。金属钨罩设计得比较薄，为3-4mm厚，使金属钨罩在很短的时间内受热面的内、外表面温度就达到一致，使得轻质耐高温隔热材料试验件的热面温度与金属钨罩的表面温度基本同步(金属钨罩也不能设置的太薄，以保证金属钨罩在高温下的刚度)。同时建立内部有廻形水冷通道的隔热平台，高温热/振耦合试验时，廻形水冷通道内部流过冷却水对金属隔热平台进行降温，将高温加热区与振动设备隔离，保证了价格昂贵和易于损坏的振动设备在高温下能够长时间地可靠工作。本发明实现了高超声速飞行器轻质隔热材料在1700℃极端高温环境下的抗振动性能试验测试，为高超声速远程飞行器所使用的低密度多孔轻质隔热材料超高温环境下的抗振动能力、防隔热性能的获取以及防热结构的安全可靠性设计提供重要依据，具有重要的工程应用价值。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)高超声速飞行器处于极为严酷的热环境中，某些关键部位的温度可高达1700℃，持续时间长达数百秒甚至数千秒。因此高超声速飞行器必须使用低导热率、低密度及防热效率高的轻质耐高温隔热材料进行热防护。但是，像耐高温的氧化锆、多孔陶瓷及纳米材料等轻质隔热材料存在大量微细孔洞，结构松散，在进行高温强振动耦合试验时，温度传感器的测温端会出现抖动，无法稳定和长时间地固定在轻质耐高温隔热材料的表面，因此在高温强振动耦合环境下轻质耐高温隔热材料的表面温度的测量与控制成为热/振耦合试验能否成功的最为关键的问题。目前已有的方法有“一种极端高温环境下纳米隔热材料热振联合实验装置”(发明专利ZL201410222420.4)。该项发明使用贵金属铂铑压片压住测温用双铂铑温度传感器的测温端部，通过四根十字交叉安装的空心陶瓷杆将双铂铑温度传感器的前端压接在纳米隔热材料试验件上，来保证试验过程中双铂铑温度传感器能够与纳米隔热材料试验件表面紧密接触及表面温度的可靠测量。在实际使用中发现，该发明专利在振动的功率谱密度不是很大的时候非常有效。但是，在1700℃极端高温下，细长的陶瓷杆的强度会有所下降，当试验件的尺寸以及振动功率谱密度比较大时，强烈的高温随机振动会使较长的陶瓷杆的中部产生一定程度的动态形变，使得温度传感器的测温端部不能与轻质耐高温隔热材料的表面保持紧密接触，轻质耐高温隔热材料表面与温度传感器的测温端之间出现缝隙，导致轻质耐高温隔热材料的表面温度测量的准确性和可靠性下降，特别是当高功率谱密度的振动时间比较长的时候，该问题就越发严重。因此，必须有所创新，设法解决长时间高温、高功率谱密度条件下的高超声速飞行器轻质耐高温隔热材料热/振耦合试验中的低密度轻质隔热材料表面温度测量的难题。

鉴于钨金属的熔点非常高，可高达3380℃，并且金属材料导热性好。因此本发明将轻质耐高温隔热材料试验件紧固在耐高温的金属钨罩中，使轻质耐高温隔热材料的表面与金属钨罩表面紧密接触，将测量与控制轻质耐高温隔热材料表面温度的难题，转化成为测量与控制金属钨罩表面温度的问题。将金属钨罩厚度设计得比较薄，为3mm-4mm。而金属材料导热率高，导热很快，3mm-4mm的薄金属钨罩在很短的时间内受热面的内、外表面温度就可达到一致。因此当热源对金属钨罩加热时，轻质耐高温隔热材料试验件受热面温度迟滞非常小，基本上与金属钨罩热面温度同步。

(2)为了使温度传感器的测温端在高温振动试验中始终能够与金属钨罩的上表面连接在一起。本发明不是采用压接，而是通过高温等离子焊接方法将金属温度传感器的测温端直接焊在金属钨罩的上表面，使两者成为一体，以保证金属钨罩的上表面测温的稳定性和准确性。另外，将数小段可耐1800℃高温的双铂铑丝紧压在套装在双铂铑丝上的高温陶瓷管上，将双铂铑丝的两端均通过等离子焊接法融接在金属钨罩的上表面，使得温度传感器被牢固地固定在金属钨罩上，再进一步地，在双铂铑温度传感器与金属钨罩之间涂装可耐1700℃高温的无机胶对温度传感器进行粘接固定。通过多重复合固定手段，确保在1700℃极端高温与振动耦合环境下，双铂铑温度传感器与金属钨罩不会分离。

(3)虽然金属钨的熔点很高约为3380℃，但在1700℃高温下金属钨会出现严重的氧化剥离现象。为防止金属钨罩表面在极端高温氧化环境下出现氧化剥离，使得金属钨罩的强度下降，甚至导致温度传感器的测温端脱落。在金属钨罩表面涂覆耐高温的无机胶隔离涂层，使金属钨罩表面在1700℃高温下与空气隔绝，阻断其表面的氧化行为。

(4)轻质耐高温隔热材料试验件的大小与金属钨罩的内部空间紧密配合，压紧在金属钨罩中，通过耐高温金属螺栓将金属钨罩紧固在隔热平台的中部。在金属钨罩的四周安装有能够耐1700℃高温的柔性陶瓷纤维隔热毡，该柔性陶瓷纤维隔热毡的受热面与金属钨罩的上表面平齐。柔性陶瓷纤维隔热毡降低了金属钨罩周边的热传导。同时，柔性陶瓷纤维隔热毡使高温金属螺栓的周边温度降低到1000℃以下，保证了只能工作在1000℃以下的高温金属螺栓的安全性和可靠性。

(5)将高温金属隔热平台固定在振动平台上，隔热平台的内部加工有廻形水冷通道，高温热/振耦合试验时廻形水冷通道内部流过冷却水对刚性的隔离平台进行降温，水冷环境下的金属隔热平台保证了价格昂贵和易于损坏的振动设备在1700℃高温下长时间地可靠工作。

(6)本发明装置结构简洁，可靠性好，使1700℃极端高温环境下轻质防热材料热振耦合试验能够成功实现，为高超声速远程飞行器所使用的低密度多孔轻质隔热材料超高温环境下的抗振动能力、防隔热性能的获取以及防热结构的安全可靠性设计提供了重要的试验测试方法，并具有重要的军事工程应用价值。

附图说明

图1为高超声速飞行器轻质耐高温隔热材料试验件示意图。

图2为本发明的测试装置结构示意图。

图3为振动信号的功率谱密度示意图。

图4为高超声速飞行器轻质耐高温隔热材料试验件高温热/振耦合试验前、后表面形态的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1和图2所示，本发明提供的一种1700℃极端高温环境下轻质防热材料热/振试验测试装置包括：轻质耐高温隔热材料试验件1、金属钨罩2、耐高温金属螺栓3、隔热平台4、双铂铑温度传感器5、高温陶瓷管6、工控计算机7、高温无机胶隔离涂层8、柔性陶瓷纤维隔热毡9、振动台驱动控制器10、激振台体11、振动平台12、硅钼棒加热阵列13、高温陶瓷架14、高温陶瓷隔热板A15、高温陶瓷隔热板B16、透热方孔17和双铂铑丝18。将隔热性能优异，但密度低、强度不高的高超声速飞行器轻质耐高温隔热材料试验件1置于隔热平台上，并紧固在盒形的金属钨罩2内，金属钨罩2的四边通过耐高温金属螺栓3固定在隔热平台4的中部。为了对金属钨罩2的表面温度进行控制，将可在1800℃高温有氧环境中有效工作的贵金属材料双铂铑温度传感器5的测温端通过等离子焊接法直接焊接在金属钨罩2的上表面中心处。为了绝缘，双铂铑温度传感器5的两根金属丝上套装有氧化铝高温陶瓷管6。将数小段双铂铑丝18紧压在高温陶瓷管6上，双铂铑丝18的两端通过等离子焊接方法焊接在金属钨罩2的上表面，对双铂铑温度传感器5进行进一步的固定；另外，双铂铑温度传感器5与金属钨罩2之间涂有可耐1700℃高温的无机胶，无机胶固化后将双铂铑温度传感器5紧固在金属钨罩2的表面。通过多种复合固定方式，确保在1700℃极端高温与振动耦合环境下，双铂铑温度传感器5与金属钨罩2不会分离，保证在高温强振动环境下，高超声速飞行器轻质防热材料热/振耦合试验的成功进行。

金属钨结构的刚度好，将金属钨罩2的厚度设计得比较薄，只有3mm-4mm。由于金属材料热导率高，导热很快，金属钨罩2在很短的时间内，其受热面的内、外表面温度就可达到一致。因此当热源对金属钨罩2加热时，轻质耐高温隔热材料试验件1的热表面温度基本上与金属钨罩2热面温度相同。本发明有效地解决了在强振动环境下，疏松的轻质耐高温隔热材料试验件1表面温度极难测量的问题，实质上是通过将轻质耐高温隔热材料1嵌入到金属钨罩2的方法，由对金属钨罩2表面温度的测量，得到导热系数和密度很低，表面疏松的高超声速飞行器轻质耐高温隔热材料1的表面温度，为实现1700℃极端高温环境下轻质防热材料热/振耦合试验解决了关键问题。

将双铂铑温度传感器5连接到工控计算机7，工控计算机7根据双铂铑温度传感器5测出的温度信号对热振耦合环境下的金属钨罩2以及轻质耐高温隔热材料试验件1上表面温度进行控制。金属钨的熔点虽然很高，约为3380℃，但在高温下金属钨会很快出现氧化剥离。为防止金属钨罩2表面在1700℃极端高温氧化环境下出现氧化剥离，在金属钨罩2的上表面涂覆高温无机胶隔离涂层8，使金属钨罩2在高温下与空气隔离，阻断其表面的氧化行为，保证金属钨罩2在高温下的安全，防止焊接在金属钨罩2上表面的双铂铑温度传感器5脱落。

由于金属钨的熔点虽高，但比较脆；金属钼的熔点也比较高(2600℃)，但强度低，因此熔点最高的金属钨和金属钼均不适合制作螺栓之类的受力紧固件。目前的高温金属螺栓3只能工作在1000℃以下。因此在金属钨罩2的四周安装有能够耐1700℃高温的柔性陶瓷纤维隔热毡9，柔性陶瓷纤维隔热毡9的受热面与金属钨罩2的上表面平齐。柔性陶瓷纤维隔热毡9降低了金属钨罩2周边的热扩散，同时，柔性陶瓷纤维隔热毡9可使高温金属螺栓3的周边温度降低到1000℃以下，保证了只能工作在1000℃以下的高温金属螺栓3的安全性和可靠性。

由振动台驱动控制器10发出如图3所示的自功率谱密度即大功率随机振动信号，驱动处于激振台体11上部的振动平台12上下振动，对卡装在金属钨罩2内的轻质耐高温隔热材料试验件1进行高温环境下抗振动性能测试。

热源由硅钼棒加热阵列13组成，硅钼棒加热阵列13水平放置，硅钼棒的两端被固定在绝缘的高温陶瓷架14上，高温陶瓷架14上有一排等间距的圆孔，硅钼棒加热阵列13插入到高温陶瓷架14的圆孔中。工控计算机7控制并调节硅钼棒加热阵列13两端的电压，使硅钼棒加热阵列13成为温度可控的加热源，能够生成1700℃的极端高温热环境。硅钼棒加热阵列13的上、下部设置有高温陶瓷隔热板A15和B16，以防止试验时的高温向外部泄露。所述的高温陶瓷隔热板A15和B16固定安装在高温陶瓷架14上。处于硅钼棒加热阵列13与金属钨罩2之间的高温陶瓷隔热板B16的中部有一个正方形的透热方孔17，硅钼棒加热阵列13产生的高温经过透热方孔17辐射至金属钨罩2的表面，对卡装在金属钨罩2中的轻质耐高温隔热材料试验件1进行加热。

由于振动设备的价格十分昂贵，本身没有热防护功能。为了在1700℃极端高温环境下对振动设备进行保护，设计制作了一个中空的金属隔离平台4，将其水平固定在振动平台12上，隔热平台4的内部加工有廻形水冷通道，高温热振试验时廻形水冷通道内部流过冷却水对刚性的隔热平台4进行降温，水冷式隔热平台4保证了价格昂贵和易于损坏的振动设备能够在1700℃高温下可靠工作。

温度传感器是一种能够在1800℃高温氧化环境中可靠工作的贵金属双铂铑温度传感器，由于要在极端高温强振动环境中工作，双铂铑温度传感器5的金属丝的直径不能取得太细，否则容易产生高温疲劳断裂。另外，双铂铑温度传感器5的金属丝的直径也不能过粗，过粗其测温热滞后大，动态响应不好。因此，本发明中设置双铂铑温度传感器5的金属丝的直径为0.6-1.0mm。

图4为高超声速飞行器轻质耐高温隔热材料试验件在高温热/振耦合试验前、后的对比示意图，由图可见经过高温热/振耦合试验之后，轻质耐高温隔热材料试验件1出现了明显的贯穿裂纹。裂纹的出现会降低结构强度，热泄露增大，会引起安全事故。因此需要对该材料进行改进。本发明提供的1700℃极端高温环境下轻质防热材料热/振耦合试验测试装置，为远程高超声速飞行器所使用的低密度轻质高效隔热材料在极端高温环境下的抗振动能力检测以及安全可靠性设计提供了重要依据。对高超声速飞行器的研制具有重要的实际应用价值。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。