[发明专利]一种烧蚀防热材料高温热辐射系数测试装置及方法

说明书

本发明涉及一种适用于烧蚀防热材料的高温热辐射系数测试装置和方法，可避免试样加热过程中氧气对烧蚀防热材料的氧化作用，同时消除热解气体对材料烧蚀表面热辐射信号的干扰，实现对烧蚀防热材料高温热辐射系数的准确测试。通过气流强度可实时在线控制惰性气氛吹扫系统和氧气浓度传感器，实现了试样加热环境氧气浓度的实时监测和控制，避免了烧蚀防热材料在高温环境下发生氧化反应导致的表面状态变化，能够构建接近于大气层再入或临近空间高超声速飞行状态下高温、贫氧的材料真实服役环境；本发明能够为揭示烧蚀防热材料高温服役环境下法向光谱热辐射系数、法向全波长热辐射系数演变规律提供有效的测试装置和测试方法。

技术领域

本发明涉及材料热辐射系数测试领域，具体涉及一种针对烧蚀防热材料的高温热辐射系数测试装置及测试方法。所涉及的温度范围为200℃至1000℃。所涉及的烧蚀防热材料是指以树脂基防热复合材料为代表的一类在热流作用下通过热解碳化、气体引射等复杂物理化学过程克服飞行器再入过程中气动加热的固体材料。所涉及的热辐射系数为材料法向光谱热辐射系数、法向全波长热辐射系数。

背景技术

大气层再入飞行器、临近空间高超声速飞行器的外层防热结构通常由于气动加热效应而产生表面高温。根据普朗克定律，材料表面热辐射散热量随温度增加以四次方函数形式增长，在高温服役过程中，飞行器防热结构与外层空间的辐射换热是其最重要的热耗散途径之一。

热辐射系数定义为材料表面热辐射出射度与同温度下绝对黑体热辐射出射度之比，是表征材料表面热辐射散热能力的基础物理参量。在飞行器防热结构计算模型中，热辐射系数作为材料特性基础输入参量，对于再入飞行过程中飞行器防热结构的传热传质过程计算准确性具有重要影响。斯坦福大学和NASA Ames研究中心[Copeland S R,Cozmuta I,Alonso J J.A Statistics-Based Material Property Analysis to Support TPSCharacterization,NASA 20120013424,2012]对火星再入飞行器防热结构的传热过程进行了数值计算，通过敏感性分析，获得了不同防热材料热物理属性误差对再入过程中防热结构温度响应计算准确程度的影响规律。计算结果表明，在防热材料表面碳层形成后，防热材料烧蚀碳层的热辐射系数是影响防热材料温度计算结果的重要影响因素，其敏感性系数仅次于原始层、碳化层密度。计算结果同时也说明，在无法改变材料密度的情况下，调控防热材料的热辐射系数是提升防热性能的有效途径。可见，通过地面试验测试获得烧蚀防热材料的高温热辐射系数，对于飞行器防热结构设计计算、防热材料改性优化具有重要价值。

目前，材料高温热辐射系数的测试装置、测试方法主要包含量热法、反射率法和能量比较法三类。量热法将被测试样与周围环境共同组成热交换系统，根据传热理论推导与系统和材料热辐射系数相关的传热方程，通过测量样品与环境温度确定热交换系统状态，进而根据传热方程求解样品热辐射系数。但量热法只能测量材料的半球全发射率，无法获得材料的光谱热辐射特性，此外，由于不能在热交换系统中引入热源，因此必须采用对试样通电加热的方式实现高温，此方法仅适用于金属、石墨等导体材料。反射率法将已知强度的红外辐射投射到不透明试样表面，采用反射计测量试样表面的反射能量，并根据反射能量测量结果，通过基尔霍夫定律计算热辐射系数。反射率法目前主要应用于热辐射系数的方向特性研究，该方法要求试样不透明且具有光滑表面，在材料适用性方面也存在一定局限。能量比较法采用同一红外探测器，在相同温度下分别测量标准黑体和试样的热辐射出射度，并根据定义取二者之比，计算材料的热辐射系数。随着光谱信号采集处理技术的发展和傅里叶红外光谱仪普及程度的不断提高，该方法在2000年后逐渐成为了热辐射系数测试领域的研究热点，美国宾夕法尼亚大学、约翰逊航天中心、国家标准与技术研究院(NIST)、日本国家计量院、我国哈尔滨工业大学、北京理工大学、西北工业大学、中国计量科学研究院光学研究所、中科院上海计量技术研究所、国家红外及工业电热产品质量监督检验中心等单位纷纷开展了基于能量比较法的热辐射系数测试平台研制和测试技术研究工作。