[发明专利]一种材料高温热物性参数的快速测量方法

说明书

本发明公开了一种材料高温热物性参数的快速测量方法，根据材料热物性参数‑介质温度‑超声传播特性，采用超声回波法，获得瞬态传热条件下超声传播时间，通过超声回波特性反演热传导方程中的材料参数，可快速、无损、非接触地测量材料随温度变化的热物性参数；本发明的方法仅测量一次，例如被测试件加热面进行升温到预定温度值如400℃，即可获得室温至400℃不同温度下的导热系数、比热容或热扩散系数等多种材料热物性参数，具有测量速度快、成本低、通用性好、测量范围大等突出优点。

技术领域

本发明涉及超声检测领域，具体来说涉及一种材料高温热物性参数的快速测量方法。

背景技术

热物性参数如导热系数、比热容或热扩散系数等是材料的重要特征参量，其既是衡量材料能否适应具体热过程工作需要的关键参数，又是对特定热过程进行基础研究和工程设计的基础数据。材料热物性参量的快速准确测量在航空航天、新材料、微电子等高新技术领域以及建筑、化工、生物、医学、冶金、电力等工业领域都具有明显的科学意义和重要的工程应用价值。

稳态法和非稳态法在材料热物性参数测量方面各具特色，互为补充。然而在测量随温度变化的导热系数、比热容或热扩散系数时，大多数测量方法每测量某一温度的参数需要将试样加热到该既定温度范围，存在周期长、控制复杂和耗费大等问题；此外，大多数方法还存在仅能测量一维问题或仅适用于测量某一热物性参数等问题，方法的通用性较差；同时，由于传感器通常需要与被测试件接触，热物性测量范围会受到传感器耐高温性能的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种材料高温热物性参数的快速测量方法，采用超声回波法，根据瞬态传热条件下超声传播时间，基于参数识别方法，适用于不同温度条件下金属、复合材料材料导热系数、比热容等热物性参数的无损测量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

步骤一：基于标定实验，获取被测试件内超声波传播速度V与温度T的关系式V-T。

步骤二：对被测试件进行加热，由常用的超声波脉冲回波法，获得被测物体t_i时刻的超声波传播时间t_i,exp。

步骤三：将高温热物性参数的测量转换为求解热传导问题边界未知参数的优化问题，其中优化目标为测量得到的超声传播时间t_i,exp与数值求解的超声传播时间t_i,cal差值最小，约束边界为热传导控制方程及其相关的初始条件。

优化问题的目标函数为：

式中，k(T)，C_p(T)和α(T)分别为待辨识的被测材料等效导热系数、比热容和热扩散系数； t_i,cal为数值计算得到的t_i时刻的超声波传播时间，下标i表示的测量时间序数，n表示总的测量时间点数；L为试件被测方向的长度。

优化问题的约束条件为:

T(x,t)|_t＝0＝T₀

式中，T₀为初始温度场。

步骤四：求解热传导反问题。相关求解的步骤为：

(1)给定参数初值；

(2)数值求解状态方程，求出温度场T(x,t)和目标函数J的值；

(3)数值求解灵敏度方程，得出灵敏度矢量；

(4)用伴随方程算法对参数值进行优化，得k(T)或C_p(T)或α(T)；