[发明专利]一种高温材料的加热实时称重装置

说明书

技术领域

本发明属于高温材料技术领域，涉及一种对高温材料的加热实时称重设备。

背景技术

随着航天运输系统飞行器速度的提升，下一代航天器表面的温度将比现有飞行器表面温度高出许多，尤其是鼻锥、翼前缘等具有尖锐外形的热防护结构，在高超声速飞行环境下表面温度会超过1800℃，迫切需要研究并开发高温结构材料。目前的航天热防护材料主要有难熔金属及合金、金属基复合材料、金属间化合物、碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料等，其中哪种材料更适合下一代航空航天飞行器的需要，这需要针对不同的材料进行高温性能和抗氧化烧蚀性能的实验研究。

在高温有氧环境下，任何一种高温热防护材料都会发生氧化现象，热防护材料的氧化速率的准确评估是热防护系统设计的关键。在热防护材料氧化速率评估中，若评估结果偏大，将会导致热防护系统设计对材料提出更高的要求，增加了热防护材料的研制难度，且降低了飞行器的飞行速度和飞行效率；如果评估过小，将给飞行器的安全带来极大的隐患。因此实时测量氧化引起的热防护材料的质量变化，即氧化速率，是关系到飞行器安全运行的一个非常关键的实验步骤。

现有的高温称重设备，其工作温度区间通常低于500℃，这远远达不到1800℃高温材料的实时精确称重，使得实时测量氧化引起的热防护材料的质量变化成为研究高温热防护材料的一个瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的，是在于提供一种对高温材料的简单、快捷的高温实时称重的装置，用于2000℃以下环境的长时间工作。

本发明的技术方案是：一种高温材料的加热实时称重装置，包括为高温材料加热的感应加热设备、非接触式高温温度计、精密天平，其中高温温度计和精密天平分别与信号采集、显示计算机系统连接，其特征在于，被加热实时称重的高温材料与精密天平之间依次设有氧化锆支架和多层真空石英板架，高温材料放在氧化锆支架上，氧化锆支架放在多层真空石英板架上，多层真空石英板架放在精密天平上，多层真空英板架与氧化锆支架、精密天平之间还分别隔有氧化锆隔热毡；氧化锆支架为厚5～15mm、孔隙率为10～45％的多孔氧化锆块体；多层真空石英板架由横向排列的3～10层石英板和四周封闭用石英板构成，每层横向石英板的厚度为2～7mm，之间用石英块隔开，层间距为5～10mm，横向石英板与四周封闭用石英板之间粘结形成密闭空间且抽真空；氧化锆隔热毡厚度为5～12mm，其氧化锆含量为92～99％。

为防止被测材料的热量传导或辐射到天平上，采用热导率非常低、且熔点非常高的氧化锆作为支架，为进一步降低氧化锆支架的热导率，在不降低氧化锆支架支撑能力的同时，降低其致密度，即增加其孔隙率，但孔隙率太高会影响氧化锆的支撑能力，因此氧化锆孔隙率采用10～45％，最好为25～40％，氧化锆支架最佳厚度为7～12mm；多层真空石英板架起进一步隔热的作用，最佳参数为：横向排列石英板层数为4～7层，每层石英板厚度3～5mm，层间厚度6～8mm。制作多层真空石英板架时，可以将横向石英板和四周封闭用石英板之间、以及横向石英板和间隔用石英块之间在高温熔融后粘结，粘结时预留抽真空孔，抽真空结束后热熔封闭真空孔。氧化锆支架和多层真空石英板架之间，以及多层真空石英板架和精密天平之间分别放置厚度为5～12mm的氧化锆隔热毡，可以在不明显增加天平负荷的基础上进一步隔热，氧化锆隔热毡的最佳厚度为7～10mm，其氧化锆含量最好为95～99％；

感应加热设备的功率可以选择30～45kW，高温温度计的温度测量范围可以为1000～3000℃，被测材料的尺寸可采用长、宽、高在50mm以内，氧化锆支架的上表面直径或边长可以为50～80mm，精密天平量程可以为5000克。

本发明装置能简单、快捷地实现高温材料的高温加热实时称重，能在2000℃温度下长时间工作，实验成本低廉，称重准确率高，不但可以应用在航空航天热防护材料的开发、研究和生产中，还可以应用到其他高温领域中。

附图说明

图1是本发明高温材料的加热实时称重装置示意图，图中1为被测高温材料，2为感应加热设备的加热线圈，3为氧化锆支架，4、6为氧化锆隔热毡，5为多层真空石英板架，7为精密天平。

图2为本发明装置测得的硼化锆-碳化硅-碳化锆陶瓷基复合材料在1700±15℃温度下质量随时间变化的曲线，图中横向和纵向坐标分别为氧化时间(s)和单位面积重量(mg/cm²)。

图3为本发明装置测得的硼化锆-碳化硅-碳化锆陶瓷基复合材料第二次加热到1700±15℃温度时，质量随时间变化的曲线。