CN102866076A

CN102866076A - 导电类热防护材料冷/热循环热冲击试验装置

Info

Publication number: CN102866076A
Application number: CN2012102985850A
Authority: CN
Inventors: 孟松鹤; 金华; 矫利闯; 许承海; 解维华
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-08-14
Also published as: CN102866076B

Abstract

导电类热防护材料冷/热循环热冲击试验装置，包括两个加热电极、供电子系统、循环冷却子系统、淬火介质喷射子系统、淬火介质排出子系统、单/双比色红外测温仪、不锈钢环境舱、淬火介质喷头和PLC控制装置，两个加热电极置于不锈钢环境舱内的滑动轨道上，两个加热电极与供电子系统相连接，两个加热电极分别与循环冷却子系统相连接，淬火介质喷头与淬火介质喷射子系统连接，单/双比色红外测温仪采集导电类热防护材料试样表面温度，PLC控制装置分别与供电子系统、循环冷却子系统、淬火介质冷却子系统、淬火介质排出子系统、单/双比色红外测温仪电信号连接。本具有设备操作简单，调节范围宽，成本低的优点。

Description

导电类热防护材料冷/热循环热冲击试验装置

技术领域

本发明涉及的是一种热冲击试验装置，具体地说是一种针对极端服役条件下的高温热防护材料(具有导电性)冷/热循环热冲击的试验装置。

背景技术

随着我国空间技术的快速发展和跨越式进步，具有尖锐前缘外形和长时间亚轨道高超声速飞行特征的空间飞行器必将成为我国未来20年的重要发展方向。高超声速(M≥5)、长时间的服役特征对飞行器的热防护材料和结构提出了严峻的挑战，尤其是对抗氧化材料的耐温极限和耐久性、抗热冲击能力以及高温氧化和复杂载荷条件下的轻质强韧化等性能提出了苛刻的要求。目前能够胜任极端环境要求的材料主要集中在超高温陶瓷材料、C/C复合材料以及C/SiC等复合材料，其中ZrB₂因具有相对较低的密度(6.09g·cm^-3)、熔点高(3245℃)、硬度高(莫氏硬度为9，显微硬度为22.1GPa)、导热性好(热导率为23～25W·m^-1·K^-1)、导电性好(常温电导率为～1×10⁸S·m^-1)等特点成为高超声速飞行器关键部位最具潜力的候选材料；但由于以超高温陶瓷为代表的陶瓷类高温热防护材料的本征脆性，使得超高温陶瓷材料在热冲击环境下易发生灾难性的破坏。因此大幅度提高超高温陶瓷材料的抗热冲击性能是其广泛应用亟待解决的问题，合理准确的进行超高温陶瓷材料抗热冲击性能的评价与表征，探寻抗热冲击性能的主要控制因素，具有重大而深远的意义。

目前评价和表征高温热防护材料的手段主要为水淬火法、氧乙炔以及电弧风洞；其中水淬法与材料实际遭受的环境相反，虽然环境更加恶劣但会使材料设计过于保守，且加热和淬火间隔的温度损失无法测量，使得评价材料热冲击性能存在很大的不确定性，结果差异性较大；氧乙炔、电弧风洞能够真实再现气动流场，能够有效表征材料升温热冲击过程，但操作繁琐、成本高，仅能实现升温热冲击的过程；无法表征高超声速飞行器飞行全飞行走廊中升温/降温以及快速循环热冲击过程。

基于此，本发明的目的是针对以ZrB₂基超高温陶瓷材料为代表导电类热防护材料，结合通电加热和水淬法的特点，提供给一种快速升温/降温循环热冲击的实验装置，用以评价与表征材料抗热冲击性能。

发明内容

本发明的目的是针对以碳/碳、超高温陶瓷为代表的导电类热防护材料，利用快速电阻加热和淬火急冷原理评价热防护材料高温氧化、热冲击等使用性能的一种导电类热防护材料冷/热循环热冲击试验装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种导电类热防护材料冷/热循环热冲击试验装置，包括两个加热电极、供电子系统、循环冷却子系统、淬火介质喷射子系统、淬火介质排出子系统、单/双比色红外测温仪、不锈钢环境舱、淬火介质喷头和PLC控制装置，不锈钢环境舱固定于地面并与地面绝缘，两个加热电极置于不锈钢环境舱内的滑动轨道上，两个加热电极与供电子系统相连接，两个加热电极分别与循环冷却子系统相连接，淬火介质喷头置于不锈钢环境舱内导电类热防护材料试样的上方，淬火介质喷头与淬火介质喷射子系统连接，单/双比色红外测温仪置于不锈钢环境舱外，透过石英观察窗采集导电类热防护材料试样表面温度，PLC控制装置分别与供电子系统、循环冷却子系统、淬火介质喷射子系统、淬火介质排出子系统、单/双比色红外测温仪电信号连接。

本发明还具有如下特征：

1、供电设备包括接触器、调压电机、变压器、霍尔互感器、电压表和电流表，接触器输入端直接与工业电网相连，接触器输出端与调压电机输入端相连，调压电机的输出端与变压器输入端相连，变压器输出端分别与两个加热电极相连，霍尔互感器安装在变压器输出端采集电流信号后传输至PLC，电压表安装在变压器输出端采集电压信号后传输至PLC控制装置，通过PLC控制装置实现开环手动调节和闭环预设值调节。

2、所述的淬火介质喷射子系统包括淬火介质储存箱、淬火介质输送泵和电磁阀，淬火介质喷头通过不锈钢金属软管与淬火介质输送电磁阀连接，淬火介质输送电磁阀通过管道与淬火介质泵连接，淬火介质输送泵通过管道与淬火介质储存箱连接，不锈钢金属软管能够调节淬火介质喷头与导电类热防护试样高度及角度，淬火介质输送电磁阀和淬火介质输送泵分别与PLC控制装置电信号连接，实现淬火时间的可控性。

3、所述的循环冷却子系统包括冷却水箱、循环水泵、截止阀、回水阀、流量计、液位计和测温热电偶；冷却水箱与循环水泵连接，循环水泵与上水管路连接，上水管路上安装有截止阀和流量计，上水管路与第一加热电极连接，第一加热电极与第二加热电极之间连接有循环水连接管路，第二加热电极与回水管路连接，回水管路上安装有回水阀，回水管路与冷却水箱连接，冷却水箱上安装有液位计和测温热电偶；流量计、液位计和测温热电偶分别于PLC控制装置电信号连接。

4、所述的淬火介质排出子系统包括淬火介质排出储存箱、淬火介质排出泵、上/下液位触发器和第一/第二淬火介质排出电磁阀，不锈钢环境舱的淬火介质排出孔通过管道与第一淬火介质排出电磁阀连接，第一淬火介质排出电磁阀通过管道与淬火介质排出储存箱连接，淬火介质排出储存箱通过管道与淬火介质排出泵连接，淬火介质排出泵通过管道与第二淬火介质排出电磁阀连接，第二淬火介质排出电磁阀与淬火介质处理管道连接；淬火介质排出储存箱上安装有上/下液位触发器，淬火介质排出储存箱的液位超过上液位触发器上限后，上液位触发器电信号启动淬火介质排出泵，水位到达下液位触发器下限位后，下液位触发器电信号关闭排水泵，以防止排水泵空转；第一/第二淬火介质排出电磁阀电信号连接PLC控制装置。

本设备操作简单，调节范围宽，成本低，可用于评价导电类热防护材料的抗热冲击性能和氧化性能。本发明可以提供温度不超过3000℃、加热速率10℃/s～1000℃/s，冷却速率不小于1000℃/s，能够满足导电类热防护材料热冲击和高温氧化性能评价的基本要求。

附图说明

图1是不锈钢环境舱的结构示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明的PLC原理示意图。

图4是试验块的升温/降温热冲击温度历程图。

其中1、循环冷却水入水孔，2、单/双比色红外测温仪，3、加热电极，4、循环冷却水出水孔，5、淬火介质排出孔，6、淬火介质喷头，7、冷却水箱，8、循环水泵，9、霍尔互感器，10、变压器，11、调压电机，12、接触器，13、第一淬火介质排出电磁阀，14、淬火介质排出储存箱，15、淬火介质储存箱，16、淬火介质输送泵，17、淬火介质排出泵，18、第二淬火介质排出电磁阀，19、淬火介质输送电磁阀，20、上/下液位触发器，21、截止阀，22、流量计，23、回水阀，24、液位计，25、测温电偶。

具体实施方式

下面通过附图进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步：

实施例1：

如图1-2所示，一种导电类热防护材料冷/热循环热冲击试验装置，包括两个加热电极、供电子系统、循环冷却子系统、淬火介质喷射子系统、淬火介质排出子系统、单/双比色红外测温仪、不锈钢环境舱、淬火介质喷头和PLC控制装置，不锈钢环境舱固定于地面并与地面绝缘，两个加热电极置于不锈钢环境舱内的滑动轨道上，两个加热电极与供电子系统相连接，两个加热电极分别与循环冷却子系统相连接，淬火介质喷头置于不锈钢环境舱内导电类热防护材料试样的上方，淬火介质喷头与淬火介质喷射子系统连接，单/双比色红外测温仪置于不锈钢环境舱外，透过石英观察窗采集导电类热防护材料试样表面温度，PLC控制装置分别与供电子系统、循环冷却子系统、淬火介质喷射子系统、淬火介质排出子系统、单/双比色红外测温仪电信号连接。所述的供电设备包括接触器、调压电机、变压器、霍尔互感器、电压表和电流表，接触器输入端直接与工业电网相连，接触器输出端与调压电机输入端相连，调压电机的输出端与变压器输入端相连，变压器输出端分别与两个加热电极相连，霍尔互感器安装在变压器输出端采集电流信号后传输至PLC，电压表安装在变压器输出端采集电压信号后传输至PLC控制装置，通过PLC控制装置实现开环手动调节和闭环预设值调节。所述的淬火介质喷射子系统包括淬火介质储存箱、淬火介质输送泵和电磁阀，淬火介质喷头通过不锈钢金属软管与淬火介质输送电磁阀连接，淬火介质输送电磁阀通过管道与淬火介质泵连接，淬火介质输送泵通过管道与淬火介质储存箱连接，不锈钢金属软管能够调节淬火介质喷头与导电类热防护试样高度及角度，淬火介质输送电磁阀和淬火介质输送泵分别与PLC控制装置电信号连接，利用PLC控制装置完成断电-喷射的联动控制和断电-延时-喷射的分步控制，实现淬火时间的可控性。所述的循环冷却子系统包括冷却水箱、循环水泵、截止阀、回水阀、流量计、液位计和测温热电偶；冷却水箱与循环水泵连接，循环水泵与上水管路连接，上水管路上安装有截止阀和流量计，上水管路与第一加热电极连接，第一加热电极与第二加热电极之间连接有循环水连接管路，第二加热电极与回水管路连接，回水管路上安装有回水阀，回水管路与冷却水箱连接，冷却水箱上安装有液位计和测温热电偶；流量计、液位计和测温热电偶分别于PLC控制装置电信号连接。所述的淬火介质排出子系统包括淬火介质排出储存箱、淬火介质排出泵、上/下液位触发器和第一/第二淬火介质排出电磁阀，不锈钢环境舱的淬火介质排出孔通过管道与第一淬火介质排出电磁阀连接，第一淬火介质排出电磁阀通过管道与淬火介质排出储存箱连接，淬火介质排出储存箱通过管道与淬火介质排出泵连接，淬火介质排出泵通过管道与第二淬火介质排出电磁阀连接，第二淬火介质排出电磁阀与淬火介质处理管道连接；淬火介质排出储存箱上安装有上/下液位触发器，淬火介质排出储存箱的液位超过上液位触发器上限后，上液位触发器电信号启动淬火介质排出泵，水位到达下液位触发器下限位后，下液位触发器电信号关闭排水泵，以防止排水泵空转；第一/第二淬火介质排出电磁阀电信号连接PLC控制装置。

实施例2：

本发明的工作流程是：如图3所示，首先根据热防护材料试件结构形状和大小，调节两个铜质电极及夹具的距离，通过铜质螺钉紧固试样防止出现间隙放电和过高的接触热阻；接通电源选择开环连续调节或预设值闭环调节，若连续调节则输入调节步长，开启加热电极，通过旋钮逐渐增大电流，待试样表面温度达到目标温度后断电喷入淬火介质(同步联动)，试样冷却后通电继续加热，反复循环；或者断电后间隔一定时间后喷入淬火介质，反复循环；若选择预设值闭环调节，需要输入目标电流(对应目标温度)，开启加热电极，达到目标电流后，进行同步联动或分步冷却循环。整个电流、电压调节与监控均通过PLC控制装置集中控制。

实施例3：

采用高强石墨材料制作的试验试样，尺寸为5mm×5mm×60mm。将试样装夹于铜质夹具中，喷管至试样距离为5mm，喷嘴中心与试样中心重合，闭环预设输出电流500A；试样表面温度1490℃，升温速率约为60℃/s，蒸馏水冷却降温速率约为130℃/s，试样尺寸未发生改变且未出现开裂。

实施例4：

采用高强石墨材料制作的试验试样，尺寸为Φ50mm×60mm。将试样装夹于铜质夹具中，喷管至试样距离为5mm，喷嘴中心与试样中心重合，闭环预设输出电流2800A；试样表面温度1850℃，蒸馏水冷却，循环十次后试样尺寸变为Φ46mm×60mm，未出现开裂。

实施例5：

表征导电类热防护材料的抗热冲击性能，采用ZrB₂-20SiC-10AlN陶瓷基复合材料制作的试验试样，尺寸为3mm×4mm×36mm，采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于铜质夹具中，喷管至试样距离为5mm，喷嘴中心与试样中心重合，开环连续输出电流250A；试样表面温度1800±30℃，升温速率约为200℃/s，蒸馏水淬火后试样开裂。

实施例6：

表征导电类热防护材料的氧化性能，采用ZrB₂-20SiC陶瓷基复合材料制作的试验试样，尺寸为3mm×4mm×36mm，采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于铜质夹具中，喷管至试样距离为5mm，喷嘴中心与试样中心重合，连续输出电流200A；试样表面温度1800±30℃，加载时间5min，表面出现白色氧化层和孔洞。

实施例7：

表征导电类热防护材料的氧化性能，采用碳-碳复合材料制作的试验试样，尺寸为25mm×8mm×60mm，采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于铜质夹具中，喷管至试样距离为5mm，喷嘴中心与试样中心重合，开环连续输出电流1250A；试样表面温度2000±30℃，蒸馏水淬火，循环五次后试样未开裂。

本发明还具有以下性能：

1、利用PLC控制子系统，实现开环线性调节；通过检测当前电流对比预设值后自动调节，实现预设电流的闭环控制。电流调节范围：0～5000A；

2、通过控制电流加载量，针对不同结构尺寸的热防护材料，可实现10℃/s～1000℃/s不同升温速率的调节；

3、单/双比色红外测温仪测试实现250～3000℃非接触式测温；

4、淬火介质可采用蒸馏水、不同浓度的盐水和不同浓度的油，实现不小于1000℃/s的冷却速率；

5、通过断电-喷射的联动控制，实现热冲击(电极加热)-冷冲击(淬火)的连续加载和反复循环加载；

6、通过断电-延时-喷射的分步控制，调节冷/热冲击的间隔时间；

7、循环冷却水采用去离子水，防止腐蚀管道和电极绝缘；

8、通过对导电类热防护材料进行冷/热循环热冲击，可避免加热-淬火过程中表面温度的降低，且实现冷/热交替加载，测试环境更加恶劣。

9、该方法操作简单，调节范围宽，成本低，可用于评价导电类热防护材料的抗热冲击性能和氧化性能。

Claims

1.导电类热防护材料冷/热循环热冲击试验装置，包括两个加热电极、供电子系统、循环冷却子系统、淬火介质喷射子系统、淬火介质排出子系统、单/双比色红外测温仪、不锈钢环境舱、淬火介质喷头和PLC控制装置，不锈钢环境舱固定于地面并与地面绝缘，两个加热电极置于不锈钢环境舱内的滑动轨道上，其特征在于：两个加热电极与供电子系统相连接，两个加热电极分别与循环冷却子系统相连接，淬火介质喷头置于不锈钢环境舱内导电类热防护材料试样的上方，淬火介质喷头与淬火介质喷射子系统连接，单/双比色红外测温仪置于不锈钢环境舱外，透过石英观察窗采集导电类热防护材料试样表面温度，PLC控制装置分别与供电子系统、循环冷却子系统、淬火介质喷射子系统、淬火介质排出子系统、单/双比色红外测温仪电信号连接。

2.根据权利要求1所述的导电类热防护材料冷/热循环热冲击试验装置，其特征在于：供电设备包括接触器、调压电机、变压器、霍尔互感器、电压表和电流表，接触器输入端直接与工业电网相连，接触器输出端与调压电机输入端相连，调压电机的输出端与变压器输入端相连，变压器输出端分别与两个加热电极相连，霍尔互感器安装在变压器输出端采集电流信号后传输至PLC，电压表安装在变压器输出端采集电压信号后传输至PLC控制装置，通过PLC控制装置实现开环手动调节和闭环预设值调节。

3.根据权利要求1所述的导电类热防护材料冷/热循环热冲击试验装置，其特征在于：所述的淬火介质喷射子系统包括淬火介质储存箱、淬火介质输送泵和淬火介质输送电磁阀，淬火介质喷头通过不锈钢金属软管与淬火介质输送电磁阀连接，淬火介质输送电磁阀通过管道与淬火介质泵连接，淬火介质输送泵通过管道与淬火介质储存箱连接，不锈钢金属软管能够调节淬火介质喷头与导电类热防护试样高度及角度，淬火介质输送电磁阀和淬火介质输送泵分别与PLC控制装置电信号连接，利用PLC控制装置完成淬火时间的可控性。

4.根据权利要求1所述的导电类热防护材料冷/热循环热冲击试验装置，其特征在于：所述的循环冷却子系统包括冷却水箱、循环水泵、截止阀、回水阀、流量计、液位计和测温热电偶；冷却水箱与循环水泵连接，循环水泵与上水管路连接，上水管路上安装有截止阀和流量计，上水管路与第一加热电极连接，第一加热电极与第二加热电极之间连接有循环水连接管路，第二加热电极与回水管路连接，回水管路上安装有回水阀，回水管路与冷却水箱连接，冷却水箱上安装有液位计和测温热电偶；流量计、液位计和测温热电偶分别于PLC控制装置电信号连接。

5.根据权利要求1所述的导电类热防护材料冷/热循环热冲击试验装置，其特征在于：所述的淬火介质排出子系统包括淬火介质排出储存箱、淬火介质排出泵、上/下液位触发器和第一/第二淬火介质排出电磁阀，不锈钢环境舱的淬火介质排出孔通过管道与第一淬火介质排出电磁阀连接，第一淬火介质排出电磁阀通过管道与淬火介质排出储存箱连接，淬火介质排出储存箱通过管道与淬火介质排出泵连接，淬火介质排出泵通过管道与第二淬火介质排出电磁阀连接，第二淬火介质排出电磁阀与淬火介质处理管道连接；淬火介质排出储存箱上安装有上/下液位触发器，淬火介质排出储存箱的液位超过上液位触发器上限后，上液位触发器电信号启动淬火介质排出泵，水位到达下液位触发器下限位后，下液位触发器电信号关闭排水泵，以防止排水泵空转；第一/第二淬火介质排出电磁阀电信号连接PLC控制装置。