[发明专利]一种防热材料表面催化特性评价方法及系统

权利要求书

1.一种防热材料表面催化特性评价系统，其特征在于，包括：

待测模型，为平头圆柱形；

高焓风洞，通过内部加热器对输入的气体进行加热，使气体达到预定总温和热流，出口处的喷管将加热后气体加速到相应马赫数后喷至位于喷管出口轴线方向的待测模型上；

激光器，在信号发生器的控制下以特定扫描频率输出激光，激光的单个扫描周期覆盖目标吸收线，输出的激光经分束器分成两路，其中一路由发射端处理后紧贴待测模型的端面由另一侧的接收端接收后转化为电信号；

干涉仪，接收激光器的另一路激光并进行信号波长的标定，然后进行时域-频域转换；

处理系统，接收接收端和干涉仪的信号进行对比分析和计算，然后根据得到的原子浓度对待测模型的催化复合特性进行有效表征。

2.根据权利要求1所述的防热材料表面催化特性评价系统，其特征在于，

所述高焓风洞内安装有对气体进行加热的加热器，所述加热器为电弧加热器、高频感应加热器或激波管中的一种；在所述高焓风洞的出口处设置有使加热气体膨胀加速的拉法尔喷管。

3.根据权利要求1所述的防热材料表面催化特性评价系统，其特征在于，

所述发射端包括准直器，准直器对经过分束器分出的激光进行聚焦，然后入射所述高焓风洞内；

所述接收端包括位于所述高焓风洞另一侧依次对接收的激光进行汇聚的聚焦透镜、过滤背景辐射噪声的窄带滤波片和收集激光信息的光电探测器。

4.根据权利要求3所述的防热材料表面催化特性评价系统，其特征在于，

在所述高焓风洞的两侧分别设置有承载所述发射端和所述接收端的位移台，位移台用于调整所述发射端聚焦后激光相对所述待测模型的距离，和所述接收端接收聚焦后激光的位置。

5.根据权利要求3所述的防热材料表面催化特性评价系统，其特征在于，

在所述高焓风洞的两侧边上分别设置有供激光通过的孔洞，在孔洞内安装有光学窗口，所述准直器和所述聚焦透镜分别位于所述光学窗口的一侧。

6.根据权利要求1所述的防热材料表面催化特性评价系统，其特征在于，

所述干涉仪为法布里-珀罗干涉仪，在其前方设置有汇聚激光的聚焦透镜，信号输出一端连接有收集信号的光电探测器。

7.根据权利要求1所述的防热材料表面催化特性评价系统，其特征在于，

所述激光器输出的激光线宽小于10MHz，中心波长与所述待测模型的原子吸收谱线对应。

8.根据权利要求1所述的防热材料表面催化特性评价系统，其特征在于，

所述处理系统还包括远程终端，远程终端控制所述信号采集系统的采集和所述处理系统的工作，并同步调整所述高焓风洞的运行状态。

9.根据权利要求1所述的防热材料表面催化特性评价系统，其特征在于，

所述信号发生器与所述激光器之间连接有激光控制器，所述信号发生器产生周期性锯齿波信号，激光控制器以该周期性锯齿波信号调制所述激光器电流，使所述激光器在扫描周期内覆盖目标吸收线。

10.一种用于权利要求1所述的防热材料表面催化特性评价系统的评价方法，其特征在于，

经所述加热器加热的气体在喷出过程中，气体分子离解为原子，以分解后的氧原子作为计算对象，氧原子在所述待测模型表面发生催化复合反应，使表面附近氧原子浓度发生改变；

利用获取的氧原子光谱信息，优选出多普勒展宽Δv_D，在气体热平衡状态下计算出气流静温T，结合积分吸收率A得到低能级氧原子浓度n_l,O，基于准平衡条件下原子数目的玻尔兹曼分布，计算出氧原子总密度n_O；具体推导过程如下：

频率v(cm^-1)处的入射光强I₀与透射光强I_t满足Beer-Lambert定律：

(I_t/I₀)_v＝exp(-k_v·L)

式中k_v为吸收系数，L为吸收光程；

其中吸收系数k_v为：

k_v＝S_lun_lφ_v

其中l表示原子的低能级状态，n_l(cm^-3)为低能级原子浓度，φ(v)(cm)为线型函数，满足归一化条件：

∫φ(v)dv≡1

S_lu(cm/molecule)为吸收线线强度，是温度的函数：

对吸收谱线进行Gauss拟合，通过寻优的方法提取出多普勒展宽Δv_D,气体热平衡状态下，气体热运动速度符合Maxwell-Boltzmann分布，Δv_D表达式如下：

根据提取出的多普勒展宽Δv_D可以得到气体温度(平动温度)T(K)；其中，m(kg)为单个原子的质量，M(g/mol)为相对原子质量；

吸收系数k_v与吸收光程L的乘积为吸收率α_v：

α_v＝k_vL＝n_lS_luφ(v)L

积分吸收率A为α_v对频率的积分：

A＝∫α_vdv

结合气流温度T和积分吸收率A可以计算出低能级氧原子浓度n_l,O：

准平衡条件下，原子能级的分布符合玻尔兹曼分布，氧原子总浓度n_O为：

通过上述方式计算并对比分析多种防热材料的表面原子浓度，其中，表面原子浓度高的材料催化特性较弱，反之则较强；将各防热材料的表面原子浓度分别与完全催化材料Cu的表面原子浓度相比，其中相差最小者，在各防热材料中催化特性最强，将各防热材料的表面原子浓度分别与非完全催化材料SiO₂的表面原子浓度相比，其中相差最小者，在各防热材料中催化特性最弱。