CN106706166A - 适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器 - Google Patents

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Abstract

适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，涉及陶瓷壁面热流传感器设计领域；热流传感器包括石墨烯柱、刚性陶瓷隔热套、紫铜柱、热电偶、陶瓷涂层；其中，石墨烯柱的轴向一端与紫铜柱固定连接，石墨烯柱的轴向另一端覆盖有陶瓷涂层；在石墨烯柱的外侧壁和紫铜柱远离石墨烯柱的轴向端面包覆有刚性陶瓷隔热套；在紫铜柱的端面设置有热电偶；本发明解决了无法直接在紫铜柱表面制备陶瓷涂层的问题，缓解平面方向的热扩散，有效规避了陶瓷材料导热系数小，热响应慢的问题，为高超声速飞行器地面防热试验提供了更加精确的测热传感器。

Description

适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器
技术领域
本发明涉及一种陶瓷壁面热流传感器设计领域，特别是一种适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器。
背景技术
当飞行器以高超声速飞行时，由于其对前方空气的压缩及与周围空气的摩擦，飞行器绝大部分的动能会以激波及尾流涡旋的形式耗散于大气中，剩下的一部分动能则转化为热能，导致其周围的空气温度急剧升高，并以对流和辐射两种形式向航天器表面传递热量，即“气动加热”。为了考核飞行器所选用的防隔热材料在气动加热条件下能否满足防隔热设计需求，通常需要在地面试验设备上设计并开展防隔热材料性能考核试验，最常见的地面防热试验主要基于电弧/高频风洞加热设备，其工作原理为：通过高压电弧放电或电磁感应加热，将空气电离为高温离子态气体，再经过拉瓦尔喷管将气体加速到一定马赫数，使气体总焓达到或接近真实飞行条件。
受地面加热设备能力的限制，电弧/高频风洞加热设备喷管出口模拟的动焓通常远小于飞行条件，往往需要事先将试验气体电离，以增加试验气体的离解焓的形式实现对飞行条件下总焓的模拟，即将一部分能量以电离能的形式贮存在离解气体中。如果这部分能量在材料壁面能够完全释放出来，则材料壁面实际感受到的热流与飞行条件相当，反之，如果这部分能量无法完全释放，则材料壁面实际感受到的热流将低于飞行条件，造成地面试验的欠考核。
事实上，电弧/高频风洞试验气体中贮存的离解焓能否完全释放，在很大程度上受到材料壁面催化特性的制约，而风洞试验中无法回避的一个难题是由热流测试用的塞式传感器与试验件材料壁面催化系数存在较大差异，即传统的塞式热流传感器测得的热流与试验件表面实际感受到的热流不符。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，解决了无法直接在紫铜柱表面制备陶瓷涂层的问题，缓解平面方向的热扩散，有效规避了陶瓷材料导热系数小，热响应慢的问题，为高超声速飞行器地面防热试验提供了更加精确的测热传感器。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，包括石墨烯柱、刚性陶瓷隔热套、紫铜柱、热电偶、陶瓷涂层；其中，石墨烯柱的轴向一端与紫铜柱固定连接，石墨烯柱的轴向另一端覆盖有陶瓷涂层；在石墨烯柱的外侧壁和紫铜柱远离石墨烯柱的轴向端面包覆有刚性陶瓷隔热套；在紫铜柱的端面设置有热电偶。
在上述的适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，所述陶瓷涂层厚度小于50μm。
在上述的适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，所述热电偶沿紫铜柱轴线方向设置在紫铜柱的中心处，热电偶垂直穿过刚性陶瓷隔热套，且热电偶一端与紫铜柱端面的接触点为温度测点，热电偶的另一端伸出陶瓷隔热套。
在上述的适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，热电偶伸出陶瓷隔热套的一端引出引线与外部测量装置连接，实现对紫铜柱底端面温度的测量。
在上述的适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，所述石墨烯柱为片层结构，片层厚度小于紫铜柱母线长度的1/5。
在上述的适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，加工石墨烯柱的过程中，保证石墨烯柱沿厚度方向为片层结构的方向。
在上述的适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，石墨烯柱可用材质均匀的碳质材料代替，碳质材料沿厚度方向热导率不小于200W/(m·K)。
在上述的适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，石墨烯柱的一端采用高温涂覆烧结工艺制备陶瓷涂层。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明引入石墨烯塞柱，其与陶瓷涂层的线胀系数差异性小，且石墨烯的成分为碳元素，可以通过化学反应的工艺方法实现表面涂层的制备，解决了无法直接在紫铜柱表面制备陶瓷涂层的问题；
(2)本发明充分利用了石墨烯二维结构方向上的高导热特点，即选用沿厚度方向上为片层结构的石墨烯，沿厚度方向的热导率比紫铜更高(通常为紫铜的数倍)，更有利于塞柱实现均温,可视为T1＝T2，即无需在紫铜和石墨烯塞块中间设置热电偶，而平面方向热导率相对较低，一定程度上可以缓解平面方向的热扩散；
(3)本发明表面涂层厚度薄小于50μm，沿厚度方向均热效果好，涂层厚度方向基本不存在温度梯度，有效规避了陶瓷材料导热系数小，热响应慢的问题。
附图说明
图1为本发明复合塞式热流传感器示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
为解决因热流测试用塞式传感器与试验件材料壁面催化系数差异大、实测热流与试验件表面实际热流不符的问题，最直接的方法是研制与试验件表面催化特性完全一致的热流传感器，即在紫铜塞表面制备与参试材料相同的薄片或涂层，但在实际研制过程中会遇到两方面问题：其一，陶瓷基复合材料或防热材料表面制备的陶瓷涂层在研制过程中通常要经过高温处理或高温化学反应，而传统塞式量热计选用的紫铜柱无法适应如此高的温度，而通过表面溅射等工艺虽然可以在紫铜柱表面制备陶瓷涂层，但两种材料的线胀系数差异较大，在流场启动瞬间的热冲击条件下往往出现涂层剥落，影响测热精度；其二，从塞式热流传感器的设计原理出发，需采用导热系数高、热沉大的量热塞(传统量塞式量热计一般选用紫铜)，且表面陶瓷材料的厚度、线膨胀系数、以及沿厚度方向的热导率对传感器的测试精度均有较大影响。
如图1所示为复合塞式热流传感器示意图，由图可知，适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，包括石墨烯柱1、刚性陶瓷隔热套2、紫铜柱3、热电偶5、陶瓷涂层6；其中，石墨烯柱1的轴向一端与紫铜柱3固定连接，石墨烯柱1的轴向另一端覆盖有陶瓷涂层6；在石墨烯柱1的外侧壁和紫铜柱3远离石墨烯柱1的轴向端面包覆有刚性陶瓷隔热套2；在紫铜柱3的端面设置有热电偶5。
其中，陶瓷涂层6厚度小于50μm。
热电偶5沿紫铜柱3轴线方向设置在紫铜柱3的中心处，热电偶5垂直穿过刚性陶瓷隔热套2，且热电偶5一端与紫铜柱3端面的接触点为温度测点4，热电偶5的另一端伸出陶瓷隔热套2。
热电偶5伸出陶瓷隔热套2的一端引出引线与外部测量装置连接，实现对紫铜柱3底端面温度的测量。
所述石墨烯柱1为片层结构，片层厚度小于紫铜柱3母线长度的1/5。加工石墨烯柱1的过程中，保证石墨烯柱1沿厚度方向为片层结构的方向。即确保石墨烯柱沿厚度方向具有较高的热导率。石墨烯柱1的一端采用高温涂覆烧结工艺制备陶瓷涂层6。以解决紫铜柱与陶瓷壁面结合力弱的技术难题。
另外，石墨烯柱1可用材质均匀的碳质材料代替，碳质材料沿厚度方向热导率不小于200W/(m·K)。
石墨烯柱1在加工时需确保厚度方向为片层方向，即厚度方向热导率远高于周向和径向热导率，同时确保了石墨烯柱1沿厚度方向热导率比紫铜柱3更高；然后在石墨烯柱1表面刷涂与飞行器防热层材质相同的陶瓷涂层6，由于涂层的制备过程中往往需要在惰性环境下进行高温烧结处理，其原理就是要在碳表面通过化学反应生产碳化硅材质，而石墨烯的成分本就是碳元素，且其升华点在3000℃以上，故在可适应表面碳化硅涂层制备工艺，最终获得与涂层热匹配性好的塞柱；将带涂层的石墨烯柱1、紫铜柱3组合而成的塞式热流传感器嵌入陶瓷隔热套2中，并在紫铜柱3底面封装热电偶5作为敏感元件。
陶瓷涂层复合材料塞式热流传感器在满足传统塞式热流传感器测量原理的基础上，引入了石墨烯柱1，实现了塞式热流传感器表面陶瓷化的设计目标，可适用于高焓、中/低热流环境条件下的风洞防热试验测热，为高超声速飞行器地面防热试验提供更加精确的测热传感器。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，其特征在于：包括石墨烯柱(1)、刚性陶瓷隔热套(2)、紫铜柱(3)、热电偶(5)、陶瓷涂层(6)；其中，石墨烯柱(1)的轴向一端与紫铜柱(3)固定连接，石墨烯柱(1)的轴向另一端覆盖有陶瓷涂层(6)；在石墨烯柱(1)的外侧壁和紫铜柱(3)远离石墨烯柱(1)的轴向端面包覆有刚性陶瓷隔热套(2)；在紫铜柱(3)的端面设置有热电偶(5)。
2.根据权利要求1所述的适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，其特征在于：所述陶瓷涂层(6)厚度小于50μm。
3.根据权利要求1所述的适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，其特征在于：所述热电偶(5)沿紫铜柱(3)轴线方向设置在紫铜柱(3)的中心处，热电偶(5)垂直穿过刚性陶瓷隔热套(2)，且热电偶(5)一端与紫铜柱(3)端面的接触点为温度测点(4)，热电偶(5)的另一端伸出陶瓷隔热套(2)。
4.根据权利要求3所述的适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，其特征在于：热电偶(5)伸出陶瓷隔热套(2)的一端引出引线与外部测量装置连接，实现对紫铜柱(3)底端面温度的测量。
5.根据权利要求1所述的适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，其特征在于：所述石墨烯柱(1)为片层结构，片层厚度小于紫铜柱(3)母线长度的1/5。
6.根据权利要求5所述的适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，其特征在于：加工石墨烯柱(1)的过程中，保证石墨烯柱(1)沿厚度方向为片层结构的方向。
7.根据权利要求6所述的适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，其特征在于：石墨烯柱(1)可用材质均匀的碳质材料代替，碳质材料沿厚度方向热导率不小于200W/(m·K)。
8.根据权利要求7所述的适用于高焓中低热流环境的陶瓷壁面复合塞式热流传感器，其特征在于：石墨烯柱(1)的一端采用高温涂覆烧结工艺制备陶瓷涂层(6)。
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