[发明专利]高温固体界面动态接触换热系数的测量方法和测量装置

说明书

技术领域：

本发明涉及固体界面接触换热系数测量技术领域，具体地说是一种高温固体界面动态接触换热系数的测量方法和测量装置，特别适合于金属、陶瓷及复合材料在高温下的固体动态接触换热系数的测量。

背景技术：

热接触是存在于航空航天、机械制造、冶金化工、电子信息、热能工程等众多工程领域和科学研究中的一个重要现象。随着传热技术的发展，接触换热系数的测量尤其是在材料成形领域，金属、陶瓷及复合材料等在高温下的界面间换热系数的测量日益受到关注。

中国发明专利申请：“一种测量固体界面接触换热系数的方法和装置”(申请号200610047121.7，公开号CN1877313A)介绍了一种测量固体界面接触换热系数的方法和装置。该专利申请的技术要点为：采用加热棒和冷却棒连接并通过压力装置施压的方式，使工控机通过温控仪表采集温度信号，进行显示和分析。该专利申请的不足之处：由于测量方法和装置的限制，仅适用于600℃以下中低温度区间的稳态传热过程固体界面接触换热系数的测量。对于600℃以上的温度区间以及动态传热过程，还缺乏相关的数据报道。

发明内容：

为了克服现有固体界面接触换热系数测量中，温度区间偏低、传热过程难以实现动态化的不足，本发明的目的之一是提供一种高温固体界面动态接触换热系数的测量方法，利用辐射聚光或激光加热和液压冲击加载方式，实现高温固体界面动态接触换热系数测试试样的非接触式快速加热和动态加载，进而通过处理获得接触换热系数。

本发明的另一目的是提供一种高温固体界面动态接触换热系数的测量装置，适用于较宽温度区间(150～1300℃)动态(接触速度0.01mm/s～2000mm/s、接触压力0～600MPa)传热过程的固体界面接触换热系数测量，应用该装置可以实现高温固体界面动态接触换热系数的测量。

本发明技术方案如下：

一种高温固体界面动态接触换热系数的测量方法，包括如下步骤：

(1)根据试样夹头尺寸，将两种待测材料加工成等截面的圆柱试样，并用同样型号的砂纸对其接触表面进行打磨处理，以确保其具有相同的表面粗糙度。

(2)对所有实验所用的热电偶进行标定，并与工控机上的数据采集卡连接。由工控机来实时采集、显示和处理热电偶的温度值，并通过加热控制器控制加热系统的加热电源。

(3)将测量用热电偶依次均布点焊于两试样的同侧表面。

(4)根据测量要求，在真空室中将冷端试样装卡于移动夹头，热端试样装卡于固定夹头，并调整两试样间的间隙，闭合真空室。

(5)启动机械泵使真空室达到低真空状态(真空度5×10^-1Pa—1×10^-1Pa)，再启动扩散泵使真空室达到要求的高真空状态(真空度5×10^-3Pa—1×10^-3Pa)。

(6)辐射聚光或激光加热系统开始工作，将热端试样的受热端快速加热到设定温度150～1300℃(加热速度为50～200℃/秒)。通过热电偶测量和加热控制器反馈使加热系统继续加热热端试样直至温度稳定在预设测量温度下。

(7)启动液压冲击加载系统，以接触速度控制模式或接触压力控制模式由液压缸驱动移动夹头，使冷端试样以一定的速度或一定的接触压力完成与热端试样的接触并保持接触传导状态；其中，接触速度0.01mm/s～2000mm/s，接触压力0～600MPa。接触速度与接触压力的选择是根据试验目的的需要，所给范围是装置所能达到的测试范围；在实际操作过程中，可以有接触压力为零的状态，即力传感器测量值为零的纯接触状态；

(8)工控机将采集接触过程中的相关数据并进行计算处理，从而获得两种材料的固体界面动态接触换热系数。

(9)测量结束后，关闭辐射聚光或激光加热系统，卸载液压冲击加载系统，泄真空，待试样自然冷却后取出。

一种高温固体界面动态接触换热系数的测量装置，该测量装置设有真空室、液压缸、液压控制继电器、冷端试样、速度传感器、力传感器、密封集线管、热端电偶、工控机、加热系统、固定夹头、热端试样、润滑剂、测温热电偶和移动夹头；液压缸与装卡冷端试样的移动夹头连接，液压缸通过液压控制继电器与工控机相连，移动夹头上的速度传感器和力传感器与工控机的数据采集卡连接；冷端试样和热端试样上用于测温的热电偶通过真空室上的密封集线管与工控机的数据采集卡连接；固定夹头上用于热端试样测温的热端电偶通过密封集线管与工控机上的数据采集卡连接，用于给热端试样加热的加热系统与工控机相连。