CN109813753A - 双向热流法测定界面接触热阻的高精度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向热流法测定界面接触热阻的高精度方法，属于测试技术领域，本发明采用的双向加热热流方法，加热体布置在测试本体中心位置，通过在加热体周围布置多层真空隔热屏，相比较于端部更容易进行绝热处理，实现样品对的一维导热。本发明可以同时测量两组试样对材料的界面接触热阻；且采用了先进的非接触热成像技术进行多个数据点的平均处理，可更高精度地实现高温、瞬态和微纳米尺度的界面接触热阻高精度测试，并且可实现从常温~2700℃温度区间的界面接触热阻测试。

Description

双向热流法测定界面接触热阻的高精度方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种界面接触热阻的测试方法。

背景技术

高温条件下的固-固界面接触传热现象广泛存在于航空航天、能源动力和热核反应等领域.由于高温环境条件大多对应于高或超高热流密度，接触热阻的变化与偏差可能导致大的温差，接触热阻参数的精确确定对装置或系统的安全可靠设计尤为重要。以高超声速飞行器为例，由于气动加热作用，飞行器外表温度将超过1000℃，需要敷设热防护系统以保障飞行器安全，热防护系统的性能除了受到热防护材料热物性、结构尺寸等因素影响之外，热防护材料之间的高温界面接触热阻是高超声速飞行器热防护系统设计中的关键参数之一。以往，由于缺乏高温条件下界面接触热阻的测试方法和系统，无法获得准确的高温界面间接触热阻数据，只能采用估计方法或沿用常温条件下接触热阻数据，将可能导致热防护系统的设计存在较大偏差，直接影响热防护系统设计的经济性、合理性与有效性。

一般地，国内外研究人员主要开展了常温条件下界面接触热阻的测试方法研究，研制了稳态法与瞬态法接触热阻测试系统，而在高温条件下界面接触热阻的测试方法与系统方面研究尚不多见，从公开发表的几篇文献报道可看出，大多存在测试精度低、测试温度不高等局限。影响高温界面间接触热阻的因素众多，包括温度、外加压力、界面材料、表面属性和漏热损失等，相比常温条件界面接触热阻的测量，实现高温条件下界面间接触热阻的高精度测量，面临一些新的技术难点：(1)要测量界面温度达到1200℃时样品对之间的接触热阻，加热体等部件的温度甚至接近2000℃，在如此高温条件下，由于很多材料会发生热变形、氧化、脆化现象，给高温加热系统的设计和研制带来了很大难度.因此，如何将测试样品加热并稳定控制达到1200℃温度范围，是测量高温界面接触热阻的前提；(2)在1200℃高温条件下，传统热电偶接触式测量界面温差的方法难以适用，而采用非接触辐射测温方法也面临着如何减小辐射热损失、确定测温表面发射率以及如何从测量温度图像中精准确定界面温差等难点。因此，精确测量1200℃高温接触界面的温差，是实现接触热阻高精度测量的关键；(3)在高温环境中，如何对测试本体采取有效且可靠的绝热保护，保证加载热量在试样对界面间一维传递，是接触热阻精确测量的重要保障。

高温条件下温度测量主要有接触式和非接触式测量方法，由于普通的接触式温度测量温度范围有限，且温度探头需嵌入到试件内部，可能破坏试件温度分布，导致测量结果出现偏差。更为重要的是，采用接触式方法无法直接测量高温接触界面处温度，需要在试件轴向方向布置多个测点，然后外推计算出界面温度，其测量误差大，而且在厚度只有几毫米的试件上开孔定位也很难实现。因在大热流密度加载地高温条件下的接触界面温差在毫米距离已经高达上百摄氏度,此时如果还是以温度传感器打孔安装的方式外推界面温度已经不再适用,且在高温条件下，由于温度传感器引入的附加误差影响也会相当明显。总之，上述稳态方法和非稳态方法主要是针对常温及不超过600℃情况下的材料接触热阻测量方法，而高温条件下的接触热阻由于涉及诸多关键问题一直没有很好的且具有较高精度的测试方法可用于实际测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种双向热流法测定界面接触热阻的高精度方法。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种双向热流法测定界面接触热阻的方法，所述方法包括以下步骤：

第一步，测试设备的准备和测试试样测试点的选取：

加热体轴对称设置在两制冷块之间，两组待测试样对对称设置在加热体与制冷块之间；

第二步，加载压应力，开启加热体和制冷块：

加载所需压应力，开启加热体，同时对制冷块进行冷却；

第三步，采集待测试样界面上的温度数据：

采用高清热成像技术对两组待测试样对界面上的温度进行采集和存储，分别得到每组待测试样对各自的温度场图像；

第四步，温度场图像数据的处理：

分别对每组待测试样对的温度场图像进行图像提取，提取后图像需包括待测试样接触界面，对提取后的图像数据进行平均值处理，再以提取后图像纵向方向(该纵向方向与待测试样轴向方向或设置方向一致)的像素点为纵坐标，以其对应的温度值为横坐标作数据拟合曲线，得到待测试样的温度梯度曲线和待测试样接触界面间的温度曲线，所得曲线具有三个交点，设所述交点之间的差值为界面温差ΔT_c；

第五步，待测试样界面接触热阻的计算：

式中，R为界面接触热阻，ΔT_c为界面温差，q为待测试样接触界面处的热流量。

优选的，为精确得到热流量数值，可在两组待测试样对与加热体之间，加设热流量计。

优选的，为精确得到热流量数值，可在两组待测试样对与制冷块之间，加设热流量计。优选的，为精确得到热流量数值，可在两组待测试样对与加热体和制冷块之间，加设热流量计。

优选的，第一步中，加热体轴对称设置在两制冷块之间，两组待测试样对竖直对称设置在加热体与制冷块之间。

优选的，第四步中，以待测试样轴向方向和截面方向，对所述温度场图像进行矩形图像提取，提取后图像需包括待测试样接触界面，其大小为n×m像素点，其中，n和m均不小于4。

优选的，第四步中，对提取后的待测试样对截面方向的图像数据进行平均值处理。

优选的，第四步中，为更高精度的计算得到界面温差和热流量值，对提取后的待测试样对截面方向的每个像素点对应的温度数据进行平均值处理。

优选的，第五步中，待测试样接触界面处的热流量q的计算公式如下：

式中，k_r为待测试样材料的导热系数，为待测试样的温度梯度。

优选的，所述的热成像技术包括红外成像测温、光场成像测温以及激光、光电子、信息和CCD成像测温技术。

同现有技术相比，本发明所述的测试方法采用先进的非接触热成像技术进行多个数据点的平均处理，较现有界面温差取值方法的界面外推或随机取值，该测试方法能更为精准的计算得到界面温差，也更进一步提高了采用先进热成像技术进行界面接触热阻的测试精度，可实现瞬态和微纳米尺度的界面接触热阻高精度测试，并且可实现从常温～2700℃温度区间的接触热阻测试。

与传统单向热流方法相比，本发明所述的双向热流法测定界面接触热阻的测试方法具有如下优点：(1)可以同时测量两组试样对材料的界面接触热阻；(2)利于高温加热体的热防护处理。因为保持接触界面达到1200℃高温条件，加热体自身温度可能将高达1800℃甚至更高，传统的单向加载热流方法，加热体在测试本体端部，给加热体热防护提出了相当大的难题。而双向加热热流方法，加热体布置在测试本体中心位置，通过在加热体周围布置多层真空隔热屏，相比较于端部更容易进行绝热处理，实现样品对的一维导热。

为了便于深入了解本发明的结构内容以及所能达成有益效果，下面结合附图和具体实施对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例的一种双向热流法测定接触热阻装置的结构示意图。

图2为本发明实施例的两组待测试样对的接触界面温度测试原理图。

图3为本发明实施例中其中一组待测试样对(下试样对)的测试温度数据处理方法示例图。

图4为本发明实施例中另外一组待测试样对(上试样对)的测试温度数据处理方法示例图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

本发明所述的双向热流法测定界面接触热阻的高精度测试方法，具体步骤如下：

第一步，测试设备的准备：

将上、下两组待测试样对(其中下试样对为试样1和试样2，上试样对为试样3和试样4)竖直安装在以加热体为中心上下对称设置的两制冷块之间，加热体布置在的中间位置，为精确得到热流量数值，在上、下两组试样对与加热体和制冷块之间，加设4个热流量计；

本发明的测试装置结构图如图1所示，该测试装置类似美国国家标准ASTM E1225，在其基础上为提高测试精度进行了进一步升级，比如为利于高温加热体的热防护处理，采用双向加热热流方法，将加热体布置在测试本体中心位置，可以同时测量两组试样对(一共是4个试样)材料的界面接触热阻。通过在加热体周围布置多层真空隔热屏，相比较于端部更容易进行绝热处理，实现样品对的一维导热，整个测试区放置在真空腔体里，待测试样的接触界面温度是利用热成像系统进行测温，图1中的试样1对应本发明下试样对中的下试样，试样2对应本发明下试样对中的上试样。相应的，图1中虽然没有给出，但试样3对应本发明上试样对中的下试样，试样4对应本发明上试样对中的上试样。

图2为本发明实施例的待测材料试样对的接触界面温度测试原理图，本实施例对界面温差的测量采用高分辨率的红外热像仪进行，采用了TELOPS的制冷型热像仪(型号：TEL-1000-MW-MCT，640×512像素，波长3.7-4.95μm)进行接触界面温度信息采集，加设显微镜头后其调焦范围约为0～30cm，因测试区间需要真空处理，所以在真空腔体上对应位置开设了蓝宝石视窗，热像仪和蓝宝石视窗经过原厂多温度区间的温度校准。为减小热像仪与待测接触界面的辐射热损失，在多层热防护屏上开设了约10mm的观察孔，此观察孔穿导光筒，其内喷涂炭黑处理。在测试前，对待测试样对依次进行酒精、丙酮和异丙酮的超声波清洗后，对待测试样的表面喷涂炭黑等高发射率的涂层以达到更高的红外测温精度。在待测试样表面贴装已校准的热电偶探头，通过依次从低温到高温选取典型温度点校准比对红外相机测量温度，从而确定发射率，再进行从常温至2700℃的温度再次校准，以保证待测试样界面接触温差的测试精度，为进一步更高精度的计算得到界面温差和热流量，对图1和2中的两组待测试样对可进行360°周向旋转的温度数据采集。

第二步，加载压应力，开启加热体和制冷块：

加载所需压应力，开启加热体和真空抽吸系统，同时对制冷块进行冷却，并采集热流量计上的温度数据；

第三步，采集两组待测试样对界面上的温度数据：

采用高清热成像技术对两组待测试样对界面上的温度进行采集和存储；

第四步，温度数据的处理：

本发明实施例的测试温度数据处理方法示例图。本测试过程中采用TEL-1000-MW-MCT型号制冷型热像仪。

其中下试样对(试样1和试样2)的成像及其温度数据处理方法过程如图3所示。具体的，其所拍摄的温度场图像大小如图3a，该图像为512个像素点(待测试样轴向方向即纵向)×640个像素点(待测试样截面方向即横向)，其对应实际大小约为5120μm×6400μm，图3a中从上至下依次为上热流计、试样材料1和试样材料2。为提高界面温差和热流量的取值精度，对图3a的接触界面处进行图像提取，提取的图像为90个像素点(待测试样轴向方向)×100个像素点(待测试样截面方向)，见图3b，接触界面处温度分布呈现出三个不同温度范围的区域，通过对下试样对截面方向每个像素点对应的温度数据进行约100个数据点的平均值处理(见图3c)，可以得出在下试样对纵向方向的图像数据(像素点)上不同位置处所对应的平均温度值(见图3c和3d中系列虚线)。以下试样对得到的提取图像上纵向方向的像素点为纵坐标，以其对应的温度值为横坐标作图，得到平均样品温度分布点及不同斜率的三条数据拟合曲线(见图3d)，上、下两条曲线分别为下试样对中试样1和试样2的测试温度梯度曲线(即曲线1和2)，中间的曲线则为试样1和试样2接触界面间的温度数据拟合曲线(即曲线1-2)。由曲线的斜率即再根据试样1和试样2材料的热导率k_r，可以由公式(1)计算得到试样1和试样2接触界面处的热流量q。或者试样1和试样2的热流量也可由热流量计给出，再由其平均值得到试样1和试样2接触界面处的热流量q。

第五步，待测试样接触界面处的热流量q的计算：

式中，k_r为待测材料的导热系数，为待测试样的温度梯度。

如图3所示，下试样对中试样1和试样2的测试温度拟合曲线分别为t＝1071.1464-0.22259p、t＝967.25-0.2277p(p为像素点，t为温度)，其温度梯度分别为-18586和-18970，本实施例中的试样1和试样2为碳纤维材料，其热导率为15.1W/mK，从而得到试样1和试样2接触界面处的热流量q的平均值为283547.8/m²。

第六步，待测试样界面接触热阻的计算：

式中，R为界面接触热阻，ΔT_c为界面温差，q为待测试样接触界面处的热流量。

图3d中，取不同斜率的三条曲线的交点之间的差值为界面温差ΔT_c，该两个交点之间的界面温差ΔT_c为109.1℃，由界面温差ΔT_c和待测试样接触界面处热流量q，即可计算得出待测试样即试样1和试样2的界面接触热阻R为3.848×10^-4m²K/W。

实施例2

上试样对(试样3和试样4)的成像及其温度数据处理方法过程如图4所示。具体的，其所拍摄的温度场图像大小如图4a，该图像为512个像素点(待测试样轴向方向即纵向)×640个像素点(待测试样截面方向即横向)，其对应实际大小约为5120μm×6400μm，图4a中从上至下依次为上热流计、试样材料3和试样材料4。为提高界面温差和热流量的取值精度，对图4a的接触界面处进行图像提取，提取的图像为90个像素点(待测试样轴向方向)×100个像素点(待测试样截面方向)，见图4b，接触界面处温度分布呈现出三个不同温度范围的区域，通过对上试样对截面方向每个像素点对应的温度数据进行约100个数据点的平均值处理(见图4c)，可以得出在上试样对纵向方向的图像数据(像素点)上不同位置处所对应的平均温度值(见图4c和4d中系列虚线)。以上试样对得到的提取图像上纵向方向的像素点为纵坐标，以其对应的温度值为横坐标作图，得到平均样品温度分布点及不同斜率的三条数据拟合曲线(见图4d)，上、下两条曲线分别为上试样对中试样3和试样4的测试温度梯度曲线(即曲线3和4)，中间的曲线则为试样3和试样4接触界面间的温度数据拟合曲线(即曲线3-4)。

由曲线的斜率即再根据试样3和试样4材料的热导率k_r，可以由公式(1)计算得到试样3和试样4接触界面处的热流量q。或者试样3和试样4的热流量也可由热流量计给出，再由其平均值得到试样3和试样4接触界面处的热流量q。

第五步，待测试样接触界面处的热流量q的计算。

结合图4，上试样对中试样3和试样4的测试温度拟合曲线的温度梯度分别为-10037.95和-10592.08，本实施例中试样3和试样4的材料为高温合金材料，其热导率为17.9W/mK，从而得到待测试样界面处的热流量q即试样3和试样4界面处的热流量q的平均值为184638.77W/m²。

图4d中，取不同斜率的三条曲线的交点之间的差值为界面温差ΔT_c，该两个交点之间的界面温差ΔT_c为28.9℃，由界面温差ΔT_c和试样3和试样4界面处的热流量q即可计算得出试样3和试样4的界面间接触热阻R为1.57×10^-4m²K/W。

本发明所述的界面接触热阻的高精度测试方法采用先进的非接触热成像技术进行多个数据点的平均处理，解决了以往采用接触式温度传感器需嵌入到试件里面会破坏了试件本身的温度场造成了测量的不准确问题；再是在热电偶嵌入的试件邻近区域对测量的准确性也会产生不利影响问题；传统测试方法对样品的几何特征也有严格要求，为准确得到样品轴向温度梯度需要布置多个测点，不能测量小到毫米厚度的试件材料问题；在高温条件下因会容易受到损坏和烧毁，现有技术不能测量在高温、高速流场或涉及化学反应的界面接触热阻问题。

总之，本发明所述的测试方法采用先进的非接触热成像技术进行多个数据点的平均处理，较现有界面温差的界面外推或随机取值选取方法，该测试方法能更为精准的计算得到界面温差，也更进一步提高了采用先进热成像技术进行界面接触热阻的测试精度，可实现高温、瞬态和微纳米尺度界面接触热阻的高精度测试。

相比较与传统单向热流方法，本发明所述的双向热流法测定界面接触热阻的测试方法其主要优点如下：(1)可以同时测量两组试样对材料的界面接触热阻；(2)利于高温加热体的热防护处理。因为保持接触界面达到1200℃高温条件，加热体自身温度可能将高达1800℃甚至更高，传统的单向加载热流方法，加热体在测试本体端部，给加热体热防护提出了相当大的难题.而双向加热热流方法，加热体布置在测试本体中心位置，通过在加热体周围布置多层真空隔热屏，相比较于端部更容易进行绝热处理，实现样品对的一维导热。

以上所述为本发明的较佳实施例的详细说明与图附，并非用来限制本发明，本发明的所有范围应以专利权利书所要求保护的范围为准，凡与本发明的设计思想及其类似变化的实施例、近似结构，都应包含于本发明的专利保护范围之中。

Claims (10)

1.一种双向热流法测定界面接触热阻的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，加热体轴对称设置在两制冷块之间，两组待测试样对对称设置在加热体与制冷块之间；

第二步，开启加热体，同时对制冷块进行冷却；

第三步，采用热成像技术采集待测试样界面上的温度数据，得到待测试样的温度场图像；

第四步，对待测试样的温度场图像进行图像提取，提取后图像需包括待测试样的接触界面，再以提取后图像中y方向的像素点为纵坐标或横坐标，以其对应的温度值为相应坐标构建数据拟合曲线，得到待测试样的温度梯度曲线和待测试样接触界面间的温度曲线，所述曲线具有两个交点，设所述交点之间的差值为界面温差ΔT_c，所述的y方向与待测试样对的设置方向一致；

第五步，界面接触热阻R的计算：

式中，R为界面接触热阻，ΔT_c为界面温差，q为待测试样接触界面处的热流量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在两组待测试样对与加热体之间，加设热流量计。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在两组待测试样对与制冷块之间，加设热流量计。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在两组待测试样对与加热体和制冷块之间，加设热流量计。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第四步中，以待测试样轴向方向和截面方向，对所述温度场图像进行矩形图像提取，提取后图像需包括待测试样接触界面，其大小为n×m像素点，其中，n和m均不小于4。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第四步中，对提取后的图像数据进行平均值处理。

7.如权利要求1或6所述的方法，其特征在于，第四步中，对提取后的待测试样对x方向的图像数据进行平均值处理，所述的x方向与y方向垂直。

8.如权利要求1或6所述的方法，其特征在于，第四步中，对提取后的待测试样对x方向的每个像素点对应的温度数据进行平均值处理，所述的x方向与y方向垂直。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第五步中，待测试样接触界面处的热流量值q的计算公式如下：

式中，k_r为待测试样材料的导热系数，为待测试样的温度梯度。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，为待测试样的温度梯度曲线和待测试样接触界面间的温度曲线的斜率。