CN103499603A - 非接触式高温热物理性能参数测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种非接触式高温热物理性能参数测量装置及方法，由电加热系统、激光发生系统、载荷系统和应变测量系统以及数据获取和分析系统组成。激光作为瞬间能量来源，降低了测量时间；激光比长仪测量材料在高温环境中的形变，非接触式的激光比长仪测量高温下被测材料样品的变形量，可以避免由于热膨胀引起的变形误差，通过精细刻度，激光比长仪可以精确测定在高温加载情况下样品的精确位移或应变，提高了测量结果的可靠性，简化了测量过程，使得测量过程易于控制。低温阶段采用热电偶测量温度，高温阶段采用远红测温仪测温，使得设备可以实现室温至2000℃范围的材料热物理性能测量。通过验证表明：本设备有运行过程易于控制，测量时间短，准确性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量材料热物理性能参数的装置及方法，更具体地说，涉及高温环境下测量材料热物理性能的方法和装置。
背景技术
随着科学技术的快速发展和跨越式进步，科学研究、工业应用等领域对现有材料提出越来越高的要求，这使得人们不得不开发新材料，而新材料在开发过程中一些性能需要评价和测试，但是现有的设备往往达不到这些新材料测试过程中所需要的测试环境，这反过来限制了新材料的开发和应用。热物理性能是材料的基本特征，是材料诸多性能中最关键的性能之一，几乎一切技术领域都会涉及热物理性能：高温力学性能，比热、导热系数、相变和线膨胀系数等热物理性能。因为热物理性能不但影响新材料在高温环境中的物理状态，还影响新材料的功能和作用。特别是应用在高温环境中防热结构材料，这些材料较为普遍地应用在航天、冶金工业等领域，由于防热结构材料具有复杂性和非均质性等特点，使得防热材料在高温环境下自身热物理性能产生明显的改变，这种改变必须进行实际测量和研究，以便更为精准地控制高温环境下材料的结构特征。为此，材料热、力学性质的表征和准确测量对于热防护系统结构稳定性和材料构件的传热性精确分析和评价是涉及到高温防热结构的一个关键问题。目前现有的测量高温环境下材料热物理性能的设备普遍具有如下缺点：1、测量成本高；2、测量结果可靠性低；3测量过程复杂且难于控制；4、设备可测量的温度范围偏低，无法在超高温度下进行测量；5、测量时间过长。
发明内容
本发明针对目前现有的高温环境下测量材料热物理性能设备普遍存在的缺点和限制，为了提高测量材料热物理性能的准确性、降低测量时间和提高测量温度范围，提供了一种能够准确测量材料热物理性能的非接触式高温热物理性能参数测量装置及方法，能够同时易于控制地在超高温度下测量材料热导率及力学性能。本发明装置不但测量结果准确，还具有制造简单，测量过程易于操作等特点。
为了达到上述目的，本发明提供了非接触式高温热物理性能参数测量装置，包括内部设置被测物夹具的密封式炉体；所述炉体腔内围绕被测物四周间隔设置电极石墨棒，所述电极石墨棒分别连接了外部供电模块及水冷模块。所述炉体设置有由盖体封闭的进气口和连接真空抽气泵的排气口。所述炉体还开设有检测被测物的激光源入射孔和接收孔；所述接收孔处设置接收器，所述接收器连至数据获取和分析系统。所述激光源固定于所述炉体外侧的滑轨上，经透镜射入所述入射孔；所述滑轨上还设置有激光比长仪，所述激光比长仪输出位移信号送至所述数据获取和分析系统。此外，所述被测物夹具还配设有载荷施加模块和传感器，所述传感器输出载荷信息送至所述数据获取和分析系统。所述数据和分析系统，包括数据接收模块、计算机处理模块，根据接收的数据获得被测物的物理性能参数。此外，所述炉体内还设置有测温控制模块，包括热电偶测温组件和多波段远红测温仪，分别将温度信号送至仪表显示，并送至所述电极石墨棒的外部供电模块调控炉内温度。
优选方式下，所述热电偶测温组件以所述炉体内外移动的方式设置。所述电极石墨棒直径为5mm-20mm，数量为4-8根，在炉腔内均匀分布。所述夹具包括可拆换低温金属夹具和高温陶瓷夹具。此外，所述数据获取和分析系统所接收的信号，根据需要，分别经放大器放大送至所述数据获取和分析系统。
根据以上装置，本发明还提供了一种利用上述装置实现非接触式高温热物理性能参数测量的方法，包括以下步骤：
第一步、取被测物，固定于夹具中，封闭炉体，抽至真空环境，加热至检测温度。
第二步、激光源发射单脉冲激光照射到被测物前表面，同时接收器接收被测物背面温度变化数据，传输至数据获取和分析系统，计算出热导率。
第三步、滑轨模块置于激光比长仪模块，计算机自动化控制载荷单元施加目标载荷，激光比长仪测出变形及位移数据传输至数据获取和分析系统，由计算机计算应变并根据载荷数据计算获得高温力学性能参数。
优选方式下，测量时，所述炉体内由真空抽气泵抽真空至0.05-1Pa；所述激光源为较高功率密度的激光发生器，功率6-80W，激光频率10kHz-100kHz。此外，在温度小于1200℃时，采用热电偶进行温度测量；在温度1000℃-3000℃时，退出热电偶，采用多波段远红测温仪进行温度测量。
本发明的有益效果在于：将热导率测量工具与高温力学测量工具置于同一可切换滑轨，一次加热即可方便测出所有参数。本测试方法采用非接触激光比长仪，降低高温误差提高准确性。本测试方法采用激光源脉冲闪射，显著减少测量时间。本测试方法采用分段温度检测工具，提高了测量温度范围。
为了提高测量材料热物理性能的准确性、降低测量时间和提高测量温度范围，本发明设计了一套能够准确测量材料热物理性能的装置，该装置主要由电加热系统、激光发生系统、载荷系统和应变测量系统以及数据获取和分析系统组成。采用激光作为瞬间能量来源，这降低了测量时间；采用激光比长仪测量材料在高温环境中的形变，非接触式的激光比长仪测量高温下被测材料样品的变形量，该方法可以避免由于热膨胀而引起的变形误差，通过精细刻度，激光比长仪可以精确测定在高温加载情况下样品的精确位移或应变，这种办法提高了测量结果的可靠性，而且简化了测量过程，使得测量过程易于控制；低温阶段采用热电偶测量温度，在高温阶段采用远红测温仪测量温度，这使得本发明制造的设备可以实现在室温至2000℃范围内的材料热物理性能测量；通过大量的实施例的测量结果表明：本设备有运行过程易于控制，测量时间短，准确性高等优点。
相对于其他已有设备测量温度通常都是低于1500℃，本发明中的设备测量温度范围0-2000℃。为了突出显示本发明的技术创新点和优点，在具体的实施例中只列出1500-2000℃的例子，此外为了评价本发明设备的测量准确性，采用已知热物理性能的二硼化铪材料作为标准样件，通过改变不同参数测量该试样的热物理性能，然后评价本发明设备的可靠性。
附图说明
图1是本发明测试装置原理结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种新型、实用非接触式高温热物理性能参数测量装置，包括：电加热系统、激光发生系统、应变测量系统、载荷系统以及数据获取和分析系统；所述的电加热系统包括：柱形中空炉体、电极石墨棒、水冷模块、测温控制模块、真空系统，其中：电极石墨棒均匀固定于炉腔内壁，围绕于样品5（被测物）夹具3四周，与外部供电线路及水冷接头相连；测温控制模块通过热电偶和多波段远红测温仪检测温度，输出至数字式智能仪表显示并调控炉腔温度；真空系统包括真空抽气泵6，接于炉内腔，保持炉内真空环境，此外图中标号2为进气口，由盖体密封。
所述的激光发生系统包括：激光源、接收器、放大器9，其中：激光源置于固定在炉体一侧开孔外的滑轨1上，使激光可穿过透镜4照射于试样上；接收器置于同一直线炉体另侧开孔外，接收样品辐射信号并通过放大器后将信号传输至数据获取和分析系统。
所述的应变测量系统包括：激光比长仪、放大器8，其中：激光比长仪置于激光源同一滑轨上，输出变形及位移信号通过放大器后传输至数据获取和分析系统。
所述的载荷系统包括：载荷施加模块、传感器，其中：载荷施加模块通过传感器作用于炉内可拆卸夹具，传感器连接数据获取和分析系统。此处，载荷施加单元全部采用计算机软线系统自动化控制，包括载荷施加量，载荷施加速度以及载荷施加方向。
所述的数据和分析系统包括：数据接收模块，计算机处理模块，其中：数据接收模块接收信号传输于计算机筛选分析计算，获得试样高温热物理性能参数。
优选方式下，所述的电极石墨棒直径为5mm-20mm，数量为4-8根，在炉腔内均匀分布。采用多根高温物理和化学性能稳定的碳棒作为加热元件，一方面可以获得较高的实验温度（最高可达2500℃，在本发明中，主要是运行在2000℃以下），另一方面通过均匀布置碳棒可以获得较好的等温区域，该加热系统可以为导热系数参数测量提供所需温度场。同时通过调节石墨棒直径和分部位置，可以有效的实现温度灵敏性。
所述的真空系统最低实现压力0.05-1Pa。
所述的测温控制模块在低温段（1200℃以下）采用热电偶进行温度测量，对于高温段，采用多波段远红测温仪（测量范围1000℃-3000℃）进行温度测量。测高温时热电偶自动退出。低温阶段采用热电偶测量温度，在高温阶段采用远红测温仪测量温度，这使得本发明制造的设备可以实现在室温至2000℃范围内的材料热物理性能测量。
所述的激光源为较高功率密度的激光发生器，功率6-80W，激光频率10kHz-100kHz。采用激光作为能量来源，可以显著降低测量时间。
所述的激光比长仪用于测量高温下样品的变形及位移量。采用非接触式的激光比长仪测量高温下被测材料样品的变形量，该方法可以避免由于热膨胀而引起的变形误差，通过精细刻度，激光比长仪可以精确测定在高温加载情况下样品的精确位移或应变，这种办法提高了测量结果的可靠性，而且简化了测量过程，使得测量过程易于控制。
所述的滑轨机械加工精度为5.0μm-30.0μm，结构稳定，可根据不同的测量需求来回滑动切换与激光源与激光比长仪。
所述的夹具包含低温金属夹具（低于1000℃）和高温陶瓷夹具（高于1000℃）。同时夹具有不同形状，可以根据需求，在不同温度对不同形状的样品测量不同的力学性能参数。也就是说，夹具根据预设温度要求安装金属夹具或陶瓷夹具，根据要获得的力学性能参数选择对应类型夹具。
根据以上装置，本发明还提供了一种新型、实用非接触式高温热物理性能参数测量方法，包括以下步骤：
第一步、取待测试样，固定于炉内夹具中，关闭炉门，抽至真空环境，加热至指定温度。
第二步、滑轨模块置于激光源模块，发射单脉冲激光照射到试样前表面，同时接收器接收试样背面温度变化数据，传输至计算机计算出热导率。
第三步、滑轨模块置于激光比长仪模块，计算机自动化控制载荷单元施加目标载荷，激光比长仪测出位移数据传输至计算机，由计算机计算应变并根据载荷数据计算获得力学性能参数。
所述的夹具根据预设温度要求安装金属夹具（低于1000℃）或陶瓷夹具（高于1000℃）。所述的加热至指定温度是指：温度最高可达2500℃，主要运行在2000℃以下，对于温度的检测，在低温段（1200℃以下）热电偶端部伸入炉腔中心进行测量，对于高温段（高于1000℃）采用多波段远红测温仪进行温度测量，同时热电偶自动退出。
下面通过实施例对本发明作进一步说明，本发明的应用不局限于实施例所举材料。
实施例1：
采用4根石墨棒作为加热元件，石墨棒直径为20mm，激光发生器功率6W，激光频率10kHz，滑道和激光发生系统的机械加工精度为5.0μm，真空泵最低实现压力0.05Pa，测量温度为1500℃，采用本发明的设备测量二硼化铪试样的热物理性能，试样尺寸为30mm×2mm×2mm（长×宽×高）。
滑轨模块置于激光源模块采用国家标准（GB/T22588-2008）方法测量二硼化铪的热导率，测得试样背面到达最高温升一半的时间t1/2，由计算机利用公式：α=0.13879L2/t1/2计算热扩散系数为0.2862cm2s-1，并利用公式：λ=αCpρ计算出试样在真空条件下，1500℃时的热导率为69.94～70.58Wm-1℃-1。
滑轨模块置于激光比长仪模块采用国家标准（GB/T14390-2008）方法测量二硼化铪的弯曲强度，载荷施加由位移控制，速度为0.5mm/min，数据记录门槛值设置为2N，获得试样的应力—应变曲线，根据上述标准，测得试样在真空条件下，1500℃时的最大弯曲强度的范围为349.18～351.24Mpa。
测试二硼化铪热物理性能如下表所示：
测量结果相对于已知结果：力学性能准确率为>99.2%，热导率准确率>98.5%。
实施例2：
采用5根石墨棒作为加热元件，石墨棒直径为18mm，激光发生器功率20W，激光频率20kHz，滑道和激光发生系统的机械加工精度为8μm，真空泵最低实现压力0.1Pa，预置测量温度为1600℃，采用本发明的设备测量已知热物理性能的二硼化铪试样的热物理性能，高温力学性能采用国家标准（GB/T14390-2008），热物理性能测量采用国家标准（GB/T22588-2008）测量二硼化铪的热导率。
测试与计算过程与实施例1相同。测试结果相对于已知结果：力学性能准确率为>98.3%，热导率准确率>99.1%。
实施例3：
采用6根石墨棒作为加热元件，石墨棒直径为14mm，激光发生器功率30W，激光频率30kHz，滑道和激光发生系统的机械加工精度为15μm，真空泵最低实现压力0.3Pa，预置测量温度为1700℃，采用本发明的设备测量已知热物理性能的二硼化铪试样的热物理性能，高温力学性能采用国家标准（GB/T14390-2008），热物理性能测量采用国家标准（GB/T22588-2008）测量二硼化铪的热导率。
测试与计算过程与实施例1相同。测试结果相对于已知结果：力学性能准确率为>99.4%，热导率准确率>99.5%。
实施例4：
采用7根石墨棒作为加热元件，石墨棒直径为10mm，激光发生器功率50W，激光频率50kHz，滑道和激光发生系统的机械加工精度为20μm，真空泵最低实现压力0.5Pa，预置测量温度为1800℃，采用本发明的设备测量已知热物理性能的二硼化铪试样的热物理性能，高温力学性能采用国家标准（GB/T14390-2008），热物理性能测量采用国家标准（GB/T22588-2008）测量二硼化铪的热导率。
测试与计算过程与实施例1相同。测试结果相对于已知结果：力学性能准确率为>99.6%，热导率准确率>98.5%。
实施例5：
采用8根石墨棒作为加热元件，石墨棒直径为8mm，激光发生器功率60W，激光频率80kHz，滑道和激光发生系统的机械加工精度为25μm，真空泵最低实现压力0.8Pa，预置测量温度为1900℃，采用本发明的设备测量已知热物理性能的二硼化铪试样的热物理性能，高温力学性能采用国家标准（GB/T14390-2008），热物理性能测量采用国家标准（GB/T22588-2008）测量二硼化铪的热导率。
测试与计算过程与实施例1相同。测试结果相对于已知结果：力学性能准确率为>98.9%，热导率准确率>98.4%。
实施例6：
采用5根石墨棒作为加热元件，石墨棒直径为5mm，激光发生器功率80W，激光频率100kHz，滑道和激光发生系统的机械加工精度为30μm，真空泵最低实现压力1.0Pa，预置测量温度为2000℃，采用本发明的设备测量已知热物理性能的二硼化铪试样的热物理性能，高温力学性能采用国家标准（GB/T14390-2008），热物理性能测量采用国家标准（GB/T22588-2008）测量二硼化铪的热导率。
测试与计算过程与实施例1相同。测试结果相对于已知结果：力学性能准确率为>98.5%，热导率准确率>98.6%。
通过大量的实施例（未全部列在本发明说明书中）测量结果表明：石墨棒数量的增加有利于温度场的稳定和均衡，同时，石墨棒直径的增加也有利于温度场的均衡；随着预置温度的增加，本发明的设备测量准确性有些降低，但是总体测量准确性仍高于98.0%，这说明本发明的设备具有非常高的可靠性；另外，滑道和激光发生系统的机械加工精度越高（数值越小）设备的可靠性越高，真空泵压力真空压力越低设备的可靠性越高。通过大量实施例证明：本设备有运行过程易于控制，测量时间短，准确性高等优点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种非接触式高温热物理性能参数测量装置，其特征在于，
包括内部设置被测物夹具的密封式炉体；所述炉体内壁上围绕被测物四周间隔设置电极石墨棒，所述电极石墨棒分别连接了外部供电模块及水冷模块；
所述炉体设置有由盖体封闭的进气口和连接真空抽气泵(6)的排气口；
所述炉体还开设有检测被测物的激光源入射孔和接收孔；所述接收孔处经透镜设置接收器，所述接收器连至数据获取和分析系统；
所述激光源固定于所述炉体外侧的滑轨上，经透镜射入所述入射孔；所述滑轨上还设置有激光比长仪，所述激光比长仪输出变形及位移信号送至所述数据获取和分析系统；
所述被测物夹具还配设有通过所述夹具作用于被测物的载荷施加模块和传感器，所述传感器输出载荷信息送至所述数据获取和分析系统；
所述数据和分析系统，包括数据接收模块、计算机处理模块，所述计算机处理模块根据接收的温度数据计算获得被测物的热导率参数，根据接收的载荷及变形数据计算获得被测物的高温力学性能参数；
此外，所述炉体内还设置有测温控制模块，包括热电偶测温组件和多波段远红测温仪，分别将温度信号送至仪表显示，并送至所述电极石墨棒的外部供电模块调控炉内温度。
2.根据权利1所述非接触式高温热物理性能参数测量装置，其特征在于，所述热电偶测温组件以所述炉体内外移动的方式设置。
3.根据权利1所述非接触式高温热物理性能参数测量装置，其特征在于，所述电极石墨棒直径为5mm-20mm，数量为4-8根，在炉腔内均匀分布。
4.根据权利1所述非接触式高温热物理性能参数测量装置，其特征在于，所述夹具为拆换使用的低温金属夹具和高温陶瓷夹具。
5.一种利用上述装置实现非接触式高温热物理性能参数测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、取被测物，固定于夹具中，封闭炉体，抽至真空环境，加热至检测温度。
第二步、激光源发射单脉冲激光照射到被测物前表面，同时接收器接收被测物背面温度变化数据，传输至数据获取和分析系统，计算出热导率。
第三步、滑轨模块置于激光比长仪模块，计算机自动化控制载荷单元施加目标载荷，激光比长仪测出变形及位移数据传输至数据获取和分析系统，由计算机计算应变并根据载荷数据计算获得高温力学性能参数。
6.根据权利要求5所述利用上述装置实现非接触式高温热物理性能参数测量的方法，其特征在于，测量时，所述炉体内由真空抽气泵抽真空至0.05-1Pa。
7.根据权利要求5所述利用上述装置实现非接触式高温热物理性能参数测量的方法，其特征在于，在温度小于1200℃时，采用热电偶进行温度测量；在温度1000℃-3000℃时，热电偶退出炉体，采用多波段远红测温仪进行温度测量。
8.根据权利要求5所述利用上述装置实现非接触式高温热物理性能参数测量的方法，其特征在于，所述激光源为较高功率密度的激光发生器，功率6-80W，激光频率10kHz-100kHz。
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