基于穩(wěn)態(tài)法的高溫材料熱物性測量技術(shù)研究.pdf

1、熱膨脹系數(shù)、電阻率和熱擴(kuò)散率是表征材料熱物理性能的三個重要參數(shù)，對航天航空飛行器和武器裝備某些關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義。由于熱膨脹系數(shù)和電阻率測量理論都是針對均勻溫度試樣建立的，而實(shí)際的高溫?zé)嵛镄詼y量裝置很難保證大尺寸試樣在高溫下的均勻溫度分布狀態(tài)，因此如何測定其高溫?zé)崤蛎浵禂?shù)和電阻率是一個具有重要意義的研究課題。對于熱擴(kuò)散率參數(shù)，現(xiàn)在閃光法理論模型普遍采用背溫信號計算，而現(xiàn)有的溫度信號測量技術(shù)已經(jīng)很難進(jìn)一步提高溫度測量的分辨率，

2、限制了熱擴(kuò)散率的測量精度。本課題的目的是研制一套大尺寸試樣的高溫?zé)嵛镄詼y量裝置，滿足熱膨脹系數(shù)和電阻率測量不確定度優(yōu)于6％、熱擴(kuò)散率測量不確定度優(yōu)于5%的要求。利用該裝置對各種材料在高溫條件下的熱物性參數(shù)進(jìn)行測量，進(jìn)而為相關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能優(yōu)化提供可靠的高溫?zé)嵛镄詳?shù)據(jù)。
　　論文圍繞大尺寸試樣熱物性測量方法的建立，提出了測量不等溫體熱膨脹系數(shù)和電阻率的新方法、建立了測量熱擴(kuò)散率的多光譜閃光法數(shù)學(xué)模型，研制出了高溫?zé)嵛镄詤?shù)測量

3、裝置并給出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析方法。主要完成了以下幾方面的研究工作：
　　為了消除穩(wěn)態(tài)法測量熱膨脹系數(shù)和電阻率時試樣溫度分布不均勻?qū)y量結(jié)果的影響，本文根據(jù)熱物性參數(shù)與溫度間的函數(shù)關(guān)系建立了測量不等溫體熱膨脹系數(shù)和電阻率的數(shù)學(xué)模型，分析了不等溫體試樣部分與整體間的內(nèi)在關(guān)系，推導(dǎo)了通過試樣表面溫度分布計算熱膨脹系數(shù)和電阻率的數(shù)學(xué)解析式，給出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析方法。
　　為了減小將溫度與輻射能量做線性化處理給閃光法熱擴(kuò)散率測量結(jié)果帶來

4、的誤差，本文通過對多光譜閃光法實(shí)驗(yàn)過程的理論分析，建立了利用多個光譜輻射能量測量熱擴(kuò)散率的多光譜閃光法數(shù)學(xué)模型，研究了基于最小二乘法的數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)了對熱擴(kuò)散率的高精度測量。最后對多光譜閃光法和閃光法做了有限元仿真實(shí)驗(yàn)，通過對熱擴(kuò)散率測量結(jié)果的比較證明了多光譜閃光法理論的正確性和可行性。
　　基于上述理論，本文研制了一套集光學(xué)、機(jī)械、電氣于一體的高溫多熱物性參數(shù)測量裝置，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)熱物性參數(shù)的同步測量。在本裝置的研制中完成了如

5、下工作：（1）考慮了不同熱物性測量實(shí)驗(yàn)的要求，設(shè)計了可將棒狀和圓片狀試樣均勻加熱到高溫?zé)崞胶鉅顟B(tài)的高溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱；（2）設(shè)計了可對試樣熱擴(kuò)散率和真實(shí)溫度進(jìn)行同步測量的多光譜高速高溫計；（3）研制了可對棒狀試樣軸向溫度分布快速測量的軸向溫度分布掃描測量系統(tǒng)；（4）設(shè)計了滿足不同材料熱擴(kuò)散率測量實(shí)驗(yàn)要求的均勻脈沖加熱系統(tǒng)；（5）設(shè)計了可對多路數(shù)據(jù)信號進(jìn)行高速同步采集和對不同設(shè)備進(jìn)行實(shí)時控制的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。（6）通過對不同面積下熱擴(kuò)散

6、率測量結(jié)果的比較和分析，確定了本文所建裝置的最佳測試面積。
　　利用上述測量裝置對不同材料的高溫?zé)嵛镄詤?shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在不同溫度范圍內(nèi)研究了某種碳/碳材料熱膨脹系數(shù)、電阻率和熱擴(kuò)散率隨溫度變化的規(guī)律，在800~3000℃℃溫度范圍內(nèi)研究了 SRM8424標(biāo)準(zhǔn)試樣熱擴(kuò)散率隨溫度變化的規(guī)律，在800~1000℃℃溫度范圍內(nèi)研究了Pyrocream9606標(biāo)準(zhǔn)試樣熱擴(kuò)散率隨溫度變化的規(guī)律，分析了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。將上述實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與同