基于稳态法的高温材料热物性测量技术研究

摘要

热膨胀系数、电阻率和热扩散率是表征材料热物理性能的三个重要参数，对航天航空飞行器和武器装备某些关键部件的结构设计具有重要意义。由于热膨胀系数和电阻率测量理论都是针对均匀温度试样建立的，而实际的高温热物性测量装置很难保证大尺寸试样在高温下的均匀温度分布状态，因此如何测定其高温热膨胀系数和电阻率是一个具有重要意义的研究课题。对于热扩散率参数，现在闪光法理论模型普遍采用背温信号计算，而现有的温度信号测量技术已经很难进一步提高温度测量的分辨率，限制了热扩散率的测量精度。本课题的目的是研制一套大尺寸试样的高温热物性测量装置，满足热膨胀系数和电阻率测量不确定度优于6％、热扩散率测量不确定度优于5%的要求。利用该装置对各种材料在高温条件下的热物性参数进行测量，进而为相关产品的结构设计和性能优化提供可靠的高温热物性数据。
　　论文围绕大尺寸试样热物性测量方法的建立，提出了测量不等温体热膨胀系数和电阻率的新方法、建立了测量热扩散率的多光谱闪光法数学模型，研制出了高温热物性参数测量装置并给出了相应的数据分析方法。主要完成了以下几方面的研究工作：
　　为了消除稳态法测量热膨胀系数和电阻率时试样温度分布不均匀对测量结果的影响，本文根据热物性参数与温度间的函数关系建立了测量不等温体热膨胀系数和电阻率的数学模型，分析了不等温体试样部分与整体间的内在关系，推导了通过试样表面温度分布计算热膨胀系数和电阻率的数学解析式，给出了相应的数据分析方法。
　　为了减小将温度与辐射能量做线性化处理给闪光法热扩散率测量结果带来的误差，本文通过对多光谱闪光法实验过程的理论分析，建立了利用多个光谱辐射能量测量热扩散率的多光谱闪光法数学模型，研究了基于最小二乘法的数据处理方法，实现了对热扩散率的高精度测量。最后对多光谱闪光法和闪光法做了有限元仿真实验，通过对热扩散率测量结果的比较证明了多光谱闪光法理论的正确性和可行性。
　　基于上述理论，本文研制了一套集光学、机械、电气于一体的高温多热物性参数测量装置，实现了各项热物性参数的同步测量。在本装置的研制中完成了如下工作：（1）考虑了不同热物性测量实验的要求，设计了可将棒状和圆片状试样均匀加热到高温热平衡状态的高温环境实验箱；（2）设计了可对试样热扩散率和真实温度进行同步测量的多光谱高速高温计；（3）研制了可对棒状试样轴向温度分布快速测量的轴向温度分布扫描测量系统；（4）设计了满足不同材料热扩散率测量实验要求的均匀脉冲加热系统；（5）设计了可对多路数据信号进行高速同步采集和对不同设备进行实时控制的高速数据采集处理系统。（6）通过对不同面积下热扩散率测量结果的比较和分析，确定了本文所建装置的最佳测试面积。
　　利用上述测量装置对不同材料的高温热物性参数进行了实验研究。在不同温度范围内研究了某种碳/碳材料热膨胀系数、电阻率和热扩散率随温度变化的规律，在800~3000℃℃温度范围内研究了 SRM8424标准试样热扩散率随温度变化的规律，在800~1000℃℃温度范围内研究了Pyrocream9606标准试样热扩散率随温度变化的规律，分析了相应的实验现象。将上述实验测量结果与同类设备或国外同行的测量结果进行了比对，热扩散率测量温度范围、测量温度上限和测量精度三方面都已达到国际同类装置的技术水平。总结了影响测量结果的原因，并对两个代表性温度下的热膨胀系数、电阻率和热扩散率的测量结果做了不确定度分析。
　　本论文的研究内容为建立大尺寸试样的高温热膨胀系数、电阻率和热扩散率测量数据库提供了理论依据，构建了技术平台。

目录

基于稳态法的高温材料热物性测量技术研究

RESEARCH ON MEASUREMENT OFTHERMOPHYSICAL PROPERTIES OF HIGHTEMPERATURE MATERIALS BASED ONSTEADY STATE TECHNIQUE

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题的来源、目的和意义

1.2 国内外在热物性参数测量方法的研究现状

1.2.1 稳态法

1.2.2 非稳态法

1.3 国内外在热膨胀系数、电阻率和热扩散率方面的研究现状

1.3.1 热膨胀系数测量技术的研究现状

1.3.2 电阻率测量技术的研究现状

1.3.3 热扩散率测量技术的研究现状

1.4 课题的主要研究内容

第2章 基于稳态法的高温热物性测量理论研究

2.1 引言

2.2 基于不等温体的热膨胀系数测量理论研究

2.3 基于不等温体的电阻率测量理论研究

2.4 基于多光谱闪光法的热扩散率测量理论研究

2.4.1 多光谱闪光法热扩散率测量数学模型的建立

2.4.2 多光谱闪光法的数据分析方法

2.4.3 多光谱闪光法的有限元仿真实验分析

2.5 本章小结

第3章 基于稳态法的高温热物性测量装置的研制

3.1 引言

3.2 高温热物性参数测量装置的总体方案设计

3.3 高温环境实验箱

3.3.1 实验箱箱体

3.3.2 真空系统

3.3.3 冷却水循环系统

3.4 加热供电回路

3.4.1 大功率高频开关电源

3.4.2 横向石墨加热管

3.4.3 石墨电极

3.5 多光谱高速高温计

3.5.1 多光谱辐射测温理论

3.5.2 工作光谱的计算

3.5.3 光学系统的设计

3.5.4 电子电路的设计

3.5.5 多光谱高速高温计的标定

3.6 轴向温度分布扫描测量系统

3.6.1 扫描式光学探头的研制

3.6.2 比色高温计的研制

3.7 均匀脉冲加热系统

3.7.1 工作物质的选取

3.7.2 激光光束的扩束与准直

3.7.3 电源控制模块的设计

3.8 同步高速数据采集系统

3.9 对试样有效测量面积的标定

3.10 本章小结

第4章 热物性参数测量实验及应用研究

4.1 引言

4.2 某种碳/碳材料的高温热膨胀系数实验研究

4.3 某种碳/碳材料的高温电阻率实验研究

4.4 不同材料的高温热扩散率实验研究

4.4.1 某种碳/碳材料的高温热扩散率实验研究

4.4.2 SRM 8424 的高温热扩散率实验研究

4.4.3 Pyrocream 9606 的高温热扩散率实验研究

4.5 不确定度分析

4.5.1 热膨胀系数的测量不确定度分析

4.5.2 电阻率的测量不确定度分析

4.5.3 热扩散率的测量不确定度分析

4.6 本章小结

结 论

参考文献

附录1

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历