基于穩(wěn)態(tài)法的高溫材料熱物性測(cè)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(gè)重要參數(shù)，對(duì)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(jì)具有重要意義。由于熱膨脹系數(shù)和電阻率測(cè)量理論都是針對(duì)均勻溫度試樣建立的，而實(shí)際的高溫?zé)嵛镄詼y(cè)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(cè)定其高溫?zé)崤蛎浵禂?shù)和電阻率是一個(gè)具有重要意義的研究課題。對(duì)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(hào)計(jì)算，而現(xiàn)有的溫度信號(hào)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)很難進(jìn)一步提高溫度測(cè)量的分辨率，

2、限制了熱擴(kuò)散率的測(cè)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(cè)量裝置，滿(mǎn)足熱膨脹系數(shù)和電阻率測(cè)量不確定度優(yōu)于6％、熱擴(kuò)散率測(cè)量不確定度優(yōu)于5%的要求。利用該裝置對(duì)各種材料在高溫條件下的熱物性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而為相關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(cè)量方法的建立，提出了測(cè)量不等溫體熱膨脹系數(shù)和電阻率的新方法、建立了測(cè)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(cè)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(cè)量熱膨脹系數(shù)和電阻率時(shí)試樣溫度分布不均勻?qū)y(cè)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(cè)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(guò)試樣表面溫度分布計(jì)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(xiàn)性化處理給閃光法熱擴(kuò)散率測(cè)量結(jié)果帶來(lái)

4、的誤差，本文通過(guò)對(duì)多光譜閃光法實(shí)驗(yàn)過(guò)程的理論分析，建立了利用多個(gè)光譜輻射能量測(cè)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(duì)熱擴(kuò)散率的高精度測(cè)量。最后對(duì)多光譜閃光法和閃光法做了有限元仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)熱擴(kuò)散率測(cè)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(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)熱物性參數(shù)的同步測(cè)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(cè)量實(shí)驗(yàn)的要求，設(shè)計(jì)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(jì)了可對(duì)試樣熱擴(kuò)散率和真實(shí)溫度進(jìn)行同步測(cè)量的多光譜高速高溫計(jì)；（3）研制了可對(duì)棒狀試樣軸向溫度分布快速測(cè)量的軸向溫度分布掃描測(cè)量系統(tǒng)；（4）設(shè)計(jì)了滿(mǎn)足不同材料熱擴(kuò)散率測(cè)量實(shí)驗(yàn)要求的均勻脈沖加熱系統(tǒng)；（5）設(shè)計(jì)了可對(duì)多路數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行高速同步采集和對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。（6）通過(guò)對(duì)不同面積下熱擴(kuò)散

6、率測(cè)量結(jié)果的比較和分析，確定了本文所建裝置的最佳測(cè)試面積。
　　利用上述測(cè)量裝置對(duì)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(cè)量結(jié)果與同