CN109884140B - 一种材料高温介电性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种材料高温介电性能测试系统，包括：矢量网络分析仪、电子计算机、加热炉、波导管、测试腔、样品杆、真空泵、充气装置；波导管通过定位法兰固定在加热炉上，一端头与矢量网络分析仪连接，另一端头与测试腔连接；待测样品放置于测试腔内；测试腔及待测样品置于加热炉的有效热区内；加热炉的加热方式为微波加热，加热炉腔为密闭空间，加热炉腔采用空气环境，或结合真空泵实现炉内真空环境，或结合充气装置实现惰性气氛环境；微波信号通过波导管导入，穿过待测样品，然后通过波导管引出，继而进入矢量网络分析仪，矢量网络分析仪的分析数据最终传输至电子计算机。本发明实现更加高效、快速、节能的高温介电性能测试。

Description

一种材料高温介电性能测试系统

技术领域

本发明涉及材料电磁性能测试技术领域，特别地，涉及一种材料高温介电性能测试系统。

背景技术

复介电常数是表征材料电磁性能的一个重要物理参量，它随着温度变化而变化，对材料的应用有重要的影响。例如在航空航天领域广泛应用的天线罩和天线窗，飞行器在大气中高速飞行时，这些部件由于气动加热，需要经历高温，表面温度往往达到1000℃以上，材料的介电性能会受温度影响而产生变化，影响电磁波的透过性；在微波处理矿物质，微波烧结陶瓷等方面，需要了解材料在高温环境下的复介电系数以避免出现热失控或爆炸。为了准确掌握材料的介电性能在高温条件下的变化，需要对材料在高温条件下的电磁性能进行准确测试，为材料研究和器件设计提供可靠的数据参考。

不同于常温测试系统，高温介电性能测试系统需要配置加热装置，给被测材料提供高温条件，以模拟实际使用时材料的温度环境，从而大大提高了系统的复杂度。目前绝大部分高温测量系统都采用电阻加热炉为待测物质创造高温环境，待测物料温度达到既定温度后，迅速将物料置于系统中进行测量，此种方式往往需要数小时来加热被测物，耗时耗能。例如，普通的电阻加热炉加热至1000℃通常需要100~200分钟，甚至更长时间。大量的时间耗费在升温过程中，造成了大量的时间和能源浪费，测试效率低下。

发明内容

本发明的目的是提供一种材料高温介电性能测试系统，通过改进测试系统的加热单元，以解决现有测试系统加热缓慢，时间和能源浪费巨大的不足，以实现更加高效、快速、节能的高温介电性能测试。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种材料高温介电性能测试系统，其特征在于，包括：

矢量网络分析仪、电子计算机、加热炉、波导管、测试腔、样品杆、真空泵、充气装置；其中，

所述波导管通过定位法兰固定在加热炉上，一端头与矢量网络分析仪连接，另一端头与测试腔连接；

待测样品放置于测试腔内；

所述测试腔及待测样品置于所述加热炉的有效热区内；

所述加热炉的加热方式为微波加热，加热炉腔为密闭空间，

所述加热炉腔采用空气环境，或结合真空泵实现炉内真空环境，或结合充气装置实现惰性气氛环境；

微波信号通过波导管导入，穿过所述待测样品，然后通过波导管引出，继而进入所述矢量网络分析仪，

所述矢量网络分析仪的分析数据最终传输至所述电子计算机。

本发明结构简单，升温迅速，温度覆盖范围广，热区范围小，较传统技术大幅节约时间和能源，且可实现多种气氛环境，便于快速开展多种复杂条件下的材料高温介电性能测试。

作为一种优选方案，所述加热炉的加热方式为微波加热，升温速率可调，最高速率可达900℃/分钟，炉内额定温度可达1600℃，短时保温温度可达1900℃。作为一种优选方案，所述加热炉的炉腔均匀涂布微波发热介质，构成发热体，加热过程不依赖待测样品本身发热。

作为一种优选方案，所述加热炉的加热腔体为密闭空间，并设置有真空泵阀、充气阀、手动排气阀以及自动排气阀中的一种或多种。

作为一种优选方案，所述加热炉的加热腔体可与真空泵及充气装置连接，实现炉内真空或惰性保护气体环境，也可保持空气气氛。

作为一种优选方案，所述的微波发热介质，包括陶瓷系材料，如碳化硅、石墨、碳纤维、碳纳米管、钛酸钡等，金属系材料，如铁氧体、金属和合金粉末等，以及其他如导电高分子材料、等离子吸波材料等，可依据实际使用温度要求，选择上述材料的一种、几种组合或含有上述材料的复合材料。

作为进一步优选方案，所述的炉内真空环境，其气压可低至10^-4Pa。

作为进一步优选方案，所述的炉内惰性保护气体环境，其气氛可以为氩气、氦气、氮气等，气压最高可达10MPa。

一种采用上述材料高温介电性能测试系统进行测试的方法，其用途是可用于自身无法发热的低损耗材料的高温介电性能测试，测试环境的升温依赖于发热体产生热量；也可用于吸波材料的高温介电性能测试，测试环境升温可借助材料本身和发热体共同产生热量。

与现有技术相比，本发明提供的一种材料高温介电性能测试系统，可实现快速升温，耗时较传统技术大幅缩短，且热区小，耗能大幅减少；降温迅速，无需水冷；该加热腔体可实现真空、保护气氛、空气气氛等多种气氛环境。

附图说明

图1是示出了本发明一实施形态的材料高温介电性能测试系统的示意图。

图2是示出了本发明一实施形态的微波加热炉及测试装置结构示意图。

具体实施方式

本发明一实施形态的材料高温介电性能测试系统如图1、图2所示，其包括矢量网络分析仪1、电子计算机2、加热炉3、波导管4、测试腔5、样品杆6、真空泵7、充气装置8。

具体而言，加热炉的加热方式例如可以为图2所示的微波加热。波导管4通过定位法兰41例如通过螺钉紧固等方式固定在加热炉上。本实施形态中波导管4分别从两侧连接至测试腔，一端头通过电缆9与矢量网络分析仪1连接，另一端头与测试腔5连接。待测样品10通过样品杆6放置于测试腔5内。待测样品可通过定位销固定在样品杆上。测试腔5及待测样品10置于加热炉3有效热区内。加热炉腔31为密闭空间，并设置有真空泵阀32、充气阀33、手动排气阀34以及自动排气阀35。加热炉腔31内采用空气环境，或结合真空泵实现炉内真空环境，或结合充气装置实现氩气、氮气、氦气惰性气氛环境。微波信号通过其中一根波导管4导入，穿过待测样品10，然后通过另一根波导管4引出，继而进入矢量网络分析仪1。矢量网络分析仪1的分析数据最终传输至电子计算机2。

作为一种优选方案，加热炉3升温速率可调，最高速率可达900℃/分钟，炉内额定温度可达1600℃，短时保温温度可达1900℃。作为一种优选方案，炉内真空环境，其气压可低至10^-4Pa。作为一种优选方案，炉内惰性保护气体环境，其气氛可以为氩气、氦气、氮气等，气压最高可达10MPa。

作为一种优选方案，如图2所示，加热炉腔31均匀涂布微波发热介质，构成发热体11，加热过程不依赖待测样品本身发热。微波发热介质，可以包括陶瓷系材料，如碳化硅、石墨、碳纤维、碳纳米管、钛酸钡等，金属系材料，如铁氧体、金属和合金粉末等，以及其他如导电高分子材料、等离子吸波材料等，可依据实际使用温度要求，选择上述材料的一种、几种组合或含有上述材料的复合材料。

所述的一种材料高温介电性能测试系统的用途，是可用于自身无法发热的低损耗材料的高温介电性能测试，测试环境的升温依赖于发热体产生热量；也可用于吸波材料的高温介电性能测试，测试环境升温可借助材料本身和发热体共同产生热量。

作为一种优选方案，如图2所示，加热炉基座21保持水平状态，加热炉3通过定位螺栓固定在基座21上，应保证加热炉3不倾斜、不晃动。

作为一种优选方案，炉盖22中心开有定位通孔及紧固旋钮，装载有样品10的样品杆6由此插入，样品杆上刻有标尺，根据样品实际尺寸计算，将样品伸至测试腔5中心时，在定位孔处样品杆标尺显示的标尺数值，当插入长度达到计算数值时，旋动紧固旋钮，将样品杆6固定，完成样品装载定位。

作为一种优选方案，用于测试炉内温度的热电偶12通过定位孔插入炉体，测试端头应位于加热炉3的有效热区内，以保证测试温度的准确性。

下面结合实施例及对比例和附图对本发明作进一步详细、完整地说明。

实施例1

本发明一优选实施例提供了一种材料高温介电性能测试系统，测试环境为1000℃，空气气氛。测试系统结构如图1所示，该系统包括矢量网络分析仪、电子计算机、加热炉、波导管、测试腔、样品杆、真空泵、充气装置；波导管通过定位法兰固定在加热炉上，一端头通过电缆与矢量网络分析仪连接，另一端头与测试腔连接，待测样品通过样品杆放置于测试腔内；测试腔及待测样品置于加热炉有效热区内。

将待测样品放置于如图2所示测试腔内，关闭真空泵阀、充气阀、自动排气阀，打开手动排气阀。打开加热炉电源，设定炉温1000℃，升温速率600℃/分钟。当炉温升至1000℃并保持稳定后，保温3分钟，使炉腔、待测样品、测试腔等达到温度平衡，对被测样品进行介电性能测试。

微波信号通过其中一根波导管导入，穿过被测样品，然后通过另一根波导管引出，继而进入测试仪器。矢量网络分析仪根据采集到的微波信号进行计算，得到被测样品材料的介电常数和介电损耗，然后将测试结果输出至电子计算机。

实施例2

本发明另一优选实施例提供了一种材料高温介电性能测试系统，测试环境为1000℃，真空环境。测试系统结构如图1所示，该系统包括矢量网络分析仪、电子计算机、加热炉、波导管、测试腔、样品杆、真空泵、充气装置；波导管通过定位法兰固定在加热炉上，一端头通过电缆与矢量网络分析仪连接，另一端头与测试腔连接，待测样品通过样品杆放置于测试腔内；测试腔及待测样品置于加热炉有效热区内。

将待测样品放置于如图2所示测试腔内，关闭充气阀、自动排气阀、手动排气阀，打开真空泵、真空泵阀，开始抽真空。待炉腔真空度低于10Pa，打开加热炉电源，设定炉温1000℃，升温速率600℃/分钟。当炉温升至1000℃并保持稳定后，保温3分钟，使炉腔、待测样品、测试腔等达到温度平衡，对被测样品进行介电性能测试。

微波信号通过其中一根波导管导入，穿过被测样品，然后通过另一根波导管引出，继而进入测试仪器。矢量网络分析仪根据采集到的微波信号进行计算，得到被测样品材料的介电常数和介电损耗，然后将测试结果输出至电子计算机。

实施例3

本发明再一优选实施例提供了一种材料高温介电性能测试系统，测试环境为1500℃，氩气气氛。测试系统结构如图1所示，该系统包括矢量网络分析仪、电子计算机、加热炉、波导管、测试腔、样品杆、真空泵、充气装置；波导管通过定位法兰固定在加热炉上，一端头通过电缆与矢量网络分析仪连接，另一端头与测试腔连接，待测样品通过样品杆放置于测试腔内；测试腔及待测样品置于加热炉有效热区内。

将待测样品放置于如图2所示测试腔内，关闭充气阀、自动排气阀、手动排气阀，打开真空泵、真空泵阀，开始抽真空。待炉腔真空度低于10Pa，打开充气阀，通入氩气，继而关闭真空泵阀，关闭真空泵，打开自动排气阀。待气压上升至自动排气阀开始自动排气，打开加热炉电源，设定炉温1500℃，升温速率600℃/分钟。当炉温升至1500℃并保持稳定后，保温3分钟，使炉腔、待测样品、测试腔等达到温度平衡，对被测样品进行介电性能测试。

微波信号通过其中一根波导管导入，穿过被测样品，然后通过另一根波导管引出，继而进入测试仪器。矢量网络分析仪根据采集到的微波信号进行计算，得到被测样品材料的介电常数和介电损耗，然后将测试结果输出至电子计算机。

以上实施例中，可见当选用的升温装置为带有密闭炉腔的微波加热炉时，可实现高达900℃/分钟的快速升温，并可实现炉内空气、真空、惰性气氛等环境条件，温度区间覆盖室温至1500℃。本发明采用微波加热炉为测试过程提供高温环境，结构简单，升温迅速，温度覆盖范围广，热区范围小，可极大节约时间和能源成本，提高测试效率，且该系统结构简单，温度覆盖范围广，并能实现真空、保护气氛、空气气氛等多种气氛环境测试，适于大范围推广。

Claims (8)

1.一种材料高温介电性能测试系统，其特征在于，包括：

矢量网络分析仪、电子计算机、加热炉、波导管、测试腔、样品杆、真空泵、充气装置；其中，

所述加热炉的加热炉腔为密闭空间，所述加热炉腔内周均匀涂布微波发热介质，构成发热体，

待测样品放置于由发热体包围的测试腔内，所述测试腔及待测样品置于由发热体包围的有效热区内；

所述波导管横穿加热炉腔体和发热体分别从两侧连接至测试腔，所述波导管背离测试腔的两端部通过定位法兰固定在加热炉腔体上且分别与矢量网络分析仪连接；

所述加热炉腔采用空气环境，或结合真空泵实现炉内真空环境，或结合充气装置实现惰性气氛环境；

微波信号通过波导管背离测试腔的其中一端头导入，穿过所述待测样品，然后通过波导管背离测试腔的另一端头引出，继而进入所述矢量网络分析仪，

所述矢量网络分析仪的分析数据最终传输至所述电子计算机。

2.根据权利要求1所述的一种材料高温介电性能测试系统，其特征在于：

所述加热炉的升温速率可调，最高速率达900℃/分钟，炉内额定温度达1600℃，短时保温温度达1900℃。

3.根据权利要求1所述的一种材料高温介电性能测试系统，其特征在于：

所述加热炉的所述加热炉腔设置有真空泵阀、充气阀、手动排气阀以及自动排气阀中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种材料高温介电性能测试系统，其特征在于：

所述加热炉的加热腔体与真空泵或充气装置连接，实现炉内真空或惰性保护气体环境，或保持空气气氛。

5.根据权利要求1所述的一种材料高温介电性能测试系统，其特征在于：

所述微波发热介质，包括陶瓷系材料，金属系材料，其他导电高分子材料、以及离子吸波材料中的一种、几种组合或含有上述材料的复合材料。

6.根据权利要求3所述的一种材料高温介电性能测试系统，其特征在于：

当采用炉内真空环境时，其气压低至10^-4Pa。

7.根据权利要求3所述的一种材料高温介电性能测试系统，其特征在于：

当采用炉内惰性保护气体环境时，其气氛为氩气、氦气、或氮气，气压最高达10MPa。

8.一种采用上述权利要求1至7中任意一项所述的一种材料高温介电性能测试系统进行测试的方法，其特征在于，

用于自身无法发热的低损耗材料的高温介电性能测试，测试环境的升温依赖于发热体产生热量；或

用于吸波材料的高温介电性能测试，测试环境升温能借助材料本身和发热体共同产生热量。

Images