[发明专利]一种适用于大温差、变压力条件的块体多孔材料隔热性能测试实验系统及测试方法

说明书

本发明公开了一种适用于大温差、变压力条件的块体多孔材料隔热性能测试实验系统及测试方法，属于材料性能测试装置技术领域。该实验系统包括恒温环境、实验台主体、数据采集单元、冷却装置、加热装置和变气氛压力/种类装置。由于多孔隔热材料骨架和气体热响应差异较大，采用非稳态法测量热导率误差较大；且部分隔热材料服役环境复杂，仅通过热导率一个指标无法全面的表征材料隔热性能；现有的背温测试冷面环境不可控。因此，本实验系统控制材料冷面温度恒定，完整地测试材料热面温度从初始稳态、经热扰动后的非稳态过程、达到最终稳态全过程的响应特性，进而研究其隔热性能。本发明的实验台主体是“三明治”式对称结构，可保证理想的加热条件；并且，该实验系统可实现大温差/高温、非稳态过程和瞬压变、近真空、变气氛种类/压力等复杂条件下材料隔热性能测试。

技术领域

本发明属于材料性能测试装置技术领域，涉及一种适用于大温差、变压力条件的块体多孔材料隔热性能测试实验系统及测试方法。

背景技术

根据导热的宏观机理和传热学基本概念，测量材料热导率的实验方法可分为非稳态法(瞬态法)和稳态法。非稳态法是指基于非稳态导热模型，通过测量材料某处的温度随时间响应特性曲线间接测量热导率(热扩散率)的方法。非稳态法测量原理复杂，但测试时间短。稳态法是指基于傅里叶定律，将待测材料置于恒温环境的一维温度场内，当过程达到稳态时，测定通过材料的热流量大小、温差和材料的几何尺寸，计算得到材料的热导率。稳态法测试原理简单，但测试时间较长。

隔热材料一般为多孔材料，主要是利用空气等气体热导率低这一特性来设计。当采用稳态法测量隔热材料的热导率时，需要材料的样品尺寸要足够大以保证尽可能接近一维导热、测试时间要足够长以保证最终稳态稳定。采用非稳态法测量隔热材料的热导率时，由于多孔材料骨架和气体的热响应特性差异很大，所以误差比较大。气凝胶是一种典型的(超级)隔热材料。由于其热导率很低且服役环境为大温差(～1000K)、非稳态和变压力条件，仅用热导率这一个指标不能全面表征其隔热性能。针对这样的需求，背温测试(即冷面温度相应特性测试)是一种常见的手段。目前航空航天行业对材料隔热性能评价的背温测试系统，通过对材料背面温度响应研究其隔热性能，但是材料背面所处环境无法控制(裸露在空气、接触不同材质材料等)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于大温差、变压力条件的块体多孔材料隔热性能测试实验系统及测试方法，该实验系统能够为待测材料提供瞬压变、近真空、变气氛压力/种类等条件，因而能够测量待测材料在大温差(～1000K)/高温、非稳态过程中，一维传热区域的热面温度响应特性以及计算最终稳态时的热导率(热扩散率)。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开的一种适用于大温差、变压力条件的块体多孔材料隔热性能测试实验系统，包括实验主体结构、变气氛压力/种类装置、加热装置、冷却装置及数据采集单元；

所述待测材料，不局限于块体多孔材料，如其他满足要求的固体材料也可对其隔热性能进行测试研究；

所述实验主体结构包括电加热薄膜，电加热薄膜两侧结构对称，依次设置待测材料、紫铜板和冷却水槽；

所述变气氛压力/种类装置，包括真空泵、第一密闭腔体、第二密闭腔体、空压机和恒温恒湿箱；真空泵通过管路与第一密闭腔体相连，且在该管路上设有电磁阀，第一密闭腔体与第二密闭腔体通过管路相连，且在二者相连的管路上设有瞬变气动阀，瞬变气动阀与空压机相连；第二密闭腔体设置于恒温恒湿箱内；

所述数据采集单元包括计算机、数据采集装置、若干真空计及若干热电偶；真空计布置在密闭腔体上，用于实时监测密闭腔体中的真空度；热电偶分布在待测材料中心的一维传热区域，用于测量待测材料的温度变化；热电偶与数据采集装置相连；真空计通过导线与计算机相连；

其中，实验主体结构置于第二密闭腔体内，且分别通过导线、水管等与加热装置、冷却装置和数据采集装置相连；加热装置和数据采集装置的端口分别连接至计算机。