[发明专利]一种可高精度测量小热导率材料的界面接触热阻的装置

说明书

本发明公开了一种可高精度测量小热导率材料的界面接触热阻的装置，属于接触热阻测试技术领域。该装置由隔离罩、保温箱体、试件部分、加热系统、冷却系统和加压系统共六个部分组成。隔离罩内放置测试装置主体；保温箱体由保温底座、保温底座盖和保温耳室三部分组成；试件部分主要由热端试件和冷端试件组成，冷端试件包裹在热端试件上；加热系统主体为硅碳棒，硅碳棒安装在保温底座盖上的贯通卡槽内；冷却系统位于隔离罩内的部分为置于保温箱体底部的矩形冷却通道；加压系统由加压部分和控制部分组成，加压部分位于隔离罩内。本发明的接触热阻测量装置采用空间中热源各向同性传热思想，实现了在选定测温区域试件内部热流传导沿半圆柱体试件径向方向均呈一维传递，无一维以外的热损，实验稳定性好，可高精度的测量小热导率材料的界面接触热阻。

技术领域

本发明属于热阻测试技术领域，具体涉及一种可高精度测量小热导率材料的界面接触热阻的装置。

背景技术

随着时代的进步，界面接触热阻无论是在科学研究中，还是工程实用中都越来越得到重视。对于能源动力、热核反应和航空航天等领域，界面接触热阻参数的精确确定对装置的安全可靠设计尤为重要。以航空航天领域的高速飞行器为例，由于气动加热作用，飞行器外表面温度将超过1000℃，为保障飞行器安全正常的工作，需在飞行器外表面敷设热防护系统。热防护系统在设计过程中必须要考虑热防护材料之间的界面接触热阻，界面接触热阻是一个受温度、压力、气体环境、表面粗糙度、材料热导率等众多因素耦合影响的非线性问题。现有的接触热阻测量装置能很好的适用于常规的金属材料间的接触热阻的测量，常规的金属材料的热导率远大于测量装置所采用的保温材料的热导率，然而热防护系统一般均采用热导率很小的材料作为热防护材料，热防护材料的热导率与测量装置所采用的保温材料的热导率相差无几，这可能使得现有的接触热阻测量装置不适用于测量热防护材料的接触热阻。由于缺少能够测量热导率很小的材料的接触热阻的装置，只能采用常规的金属材料外推的接触热阻数据来预估热防护系统材料间的界面接触热阻，这导致设计出来的热防护系统的理论热防护能力和实际热防护能力存在较大偏差,直接关乎到热防护系统设计的合理性、有效性以及经济性。

界面接触热阻R等于ΔT比q，ΔT是接触界面的温差，q是接触界面处的一维热流量。显然，准确测得ΔT和q是测量界面接触热阻R以及提高测量R精度的关键。而准确测得试件接触界面的ΔT和q的关键在于在试件接触界面构建稳定的一维热流量。一般都会采用在试件周围布置良好的保温系统和在接触界面附近设置补偿加热系统的方法来保证热流在试件上的传导沿垂直接触界面的方向呈一维传递，这种方法对于本身热导率相对保温材料热导率相差几十倍以上的试件而言，可很好的降低热流在试件上传导过程中的一维以外的热损，使得一维以外的热损对试件接触热阻测量精度的影响可忽略不计。然而，对于测量本身热导率相对保温材料热导率相差不大的试件的接触热阻，甚至是测量以保温材料作为试件的试件的接触热阻时，继续采用上述方法难以保障热流在试件上的传导呈一维传递，只会由于热流在试件内的传导量和试件周围的热损量相差无几，使得流过接触界面间的热流不是一维传导状态，导致ΔT不能被准确测得和q无法被测得，进而导致无法测得小热导率试件的接触热阻。显然，上述方法不适用于测量小热导率试件的接触热阻。

专利202110348478.3、202011230625.9、202010965520.1、201910243647.X、201811522277.5、201510954538.0所公开的接触热阻测量装置，为使加热系统提供的热流在试件内能很好地沿试件轴向方向一维传导，将试件放置在加压系统的中轴线上，通过加压系统的加压杆将载荷竖直加载到试件上，并在试件周围布设保温系统和补偿加热系统。显然，这些测量装置可以很好的适用于常规的金属材料间的接触热阻的测量，但难以准确的测得小热导率材料(保温材料)间的接触热阻。且这些装置采用的加压系统只具备竖直加压的能力，加压方向单一且固定。此外，论文《接触热阻实验与数值模拟》、《界面接触热阻影响因素的实验研究》、《界面接触热阻实验分析及参数优化设计》、《温度对接触热阻的影响》所公开的几种接触热阻测量装置与上述专利所公开的装置类似，均不具有测量小热导率材料的接触热阻的能力。综上，现有的接触热阻测量装置不适用于测量小热导率试件的接触热阻，有必要设计一种新型的可测量小热导率试件的接触热阻的装置。