CN112326726A - 一种树脂基复合材料热解引射因子测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种树脂基复合材料热解引射因子测试装置，包括送进导轨和双联水冷送进支架。双联水冷送进支架通过转接段与送进导轨连接，双联水冷送进支架在电信号驱动下沿送进导轨移动；双联水冷送进支架上设置有两个连通的空腔，空腔周边设置有水冷槽，与外部冷却水连接，用于通过不断循环的冷却水为空腔降温。两个空腔分别用于放置原始树脂基复合材料和经过碳化的树脂基复合材料。本发明同时公开了利用该装置的引射因子测试方法。本发明解决了长航时、中低热流密度条件下树脂基材料热解引射表征分析的难题，为长时间飞行条件下飞行器防隔热设计提供了有效支撑。

Description

一种树脂基复合材料热解引射因子测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种树脂基复合材料热解引射因子测试装置及方法，属于树脂基材料测量领域。

背景技术

对于长时、中低热流密度、低压/中焓的热环境特点，树脂基复合材料表面温度大部分时间低于SiO₂的融化温度，其传统应用上的依靠熔融蒸发带走热量的机制不再是主要的防热机制，树脂分解吸热、热解气体引射降温和防热材料本身隔热成为主导因素。材料热解，释放出热解气体，向边界层引射热解气体，使边界层增厚，削弱高温气体对材料的传热，起到了“热阻”的作用，即产生所谓的“引射效应”，准确评估引射效应对于热环境精确预示、防隔热精细化设计意义重大。

目前还没有引射效应的实验测量方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种树脂基复合材料热解引射因子测试装置及方法，解决长航时、中低热流密度条件下树脂基材料热解引射表征分析的难题，为长时间飞行条件下飞行器防隔热设计提供有效支撑。

本发明的技术解决方案是：

一种树脂基复合材料热解引射因子测试装置，包括送进导轨和双联水冷送进支架；

双联水冷送进支架通过转接段与送进导轨连接，双联水冷送进支架在电信号驱动下沿送进导轨移动；双联水冷送进支架上设置有两个连通的空腔，空腔周边设置有水冷槽，与外部冷却水连接，用于通过不断循环的冷却水为空腔降温。

利用一种树脂基复合材料热解引射因子测试装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤一：完成测试前的准备工作；

步骤二、选取第一试验件和第二试验件两个试验件，其中第一试验件和第二试验件原始材料为同一种材料，且第一试验件为原始树脂基复合材料，第二试验件为经过碳化的树脂基复合材料；在第一试验件和第二试验件的相同位置处放置相同的热流传感器；

步骤三、在双联水冷送进支架的靠近风洞的空腔中放入第一试验件，在另一个空腔中放入第二试验件；

步骤四、对风洞进行抽真空；

步骤五、为双联水冷送进支架加电，双联水冷送进支架在电信号作用下沿送进导轨移动，直到第一试验件位于风洞出口处，双联水冷送进支架停止移动，启动风洞，对第一试验件进行加热，加热时间t₁，采集设备采集第一试验件上热流传感器的数据；

步骤六、双联水冷送进支架继续向前移动，直到第二试验件位于风洞出口处，双联水冷送进支架停止移动，风洞对第二试验件进行加热，加热时间t₂，采集设备采集第二试验件上热流传感器的数据；

步骤七、关闭风洞；

步骤八、对第一试验件上热流传感器的数据进行处理，得到有气体引射时第一试验件的壁面热流密度q_w，对第二试验件上热流传感器的数据进行处理，得到无气体引射时第二试验件的壁面热流密度q₀，利用θ＝q_w/q₀计算引射因子θ。

所述步骤一中测试前的准备工作如下：

1)完成风洞的叠片加热器的安装，并对其气密封水密封电绝缘性能进行测量，确保运行前各指标参数正常；

2)将喷管与风洞连接，检查喷管气密封水密封性能，参数正常以后与叠片加热器对接；

3)将双联水冷送进支架通过转接段与喷管进行半固定连接；

5)调整送进导轨方向，将送进导轨通过转接段与洞体固联，使其送进双联水冷送进支架时不受干涉。

所述步骤八中，对第一试验件上热流传感器后t₁/2的数据进行处理，得到有气体引射时第一试验件的壁面热流密度q_w。

所述步骤八中，对第二试验件上热流传感器前t₂/2的数据进行处理，得到有气体引射时第一试验件的壁面热流密度q₀。

所述步骤三中，在双联水冷送进支架靠近风洞的空腔中放入第一试验件时，接触面用硅橡胶混合铝粉密封；在另一个空腔中放入第二试验件时，接触面用硅橡胶混合铝粉密封。

测试过程中，通过控制风洞的来流参数，保证第一试验件和第二试验件的表面温度不高于原始材料的烧蚀温度。

第二试验件的获取方式如下：

利用与测试过程相同来流状态的风洞，对第二试验件的原始材料进行加热，使其碳化3/5—4/5厚度，得到第二试验件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明创新性地设计了针对原始材料和碳化后材料的电弧风洞试验方案，对热解引射机制进行了试验验证，能够获得树脂基复合材料引射效应的引射因子。解决长航时、中低热流密度条件下树脂基材料热解引射表征分析的难题，为长时间飞行器的防隔热精细化设计的应用提供了有力支撑。

附图说明

图1为本发明测试装置示意图。

具体实施方式

复合材料热解气体引射进入边界层包含复杂的物理化学反应，无论是理论计算还是数值模拟研究都是基于一定假设，无法真实研究材料热解气体的引射效应。准确评估引射效应对于热环境精确预示、防隔热精细化设计意义重大。

为了获得树脂基复合材料有气体引射时的热流和无气体引射时的热流，定量表征树脂基复合材料在特定热环境下的引射效应，本发明设计了电弧风洞试验。为了真实模拟复合材料引射效应。试验过程中选用真实复合材料进行，有引射时热流测量选择原始材料作为试验件，无引射时材料表面热流测量选择碳化一定深度的试验件。

由于试验件碳化后需要再次进入风洞测量无引射时的数据，这就要求材料表面只热解碳化，不烧蚀。这样确定试验状态时热流不能太高也不能太低，太高易烧蚀，太低热解碳化不完全。恢复焓也不能太低，太低表面易氧化烧蚀。如何获得碳化后的试验件作为无引射状态测量时的试验件是一个难点。

试验过程中，复合材料热解引射对材料表面热流影响很小，传感器测量精度、安装位置，风洞流场稳定性和可重复性，材料表面粗糙度和辐射系数等参数对材料热解引射效应有较大影响。如何去除这些因素带入的误差，准确获得树脂基材料热解气体引射的引射因子是一个难点。

综上，长时间加热电弧风洞条件下树脂基复合材料引射因子测试主要难点在于有引射时材料表面热流和无引射时材料表面热流状态的选择确定，如何设计试验获得材料有引射和无引射时表面热流，尽量去除流场波动、传感器测量、材料表面状态等影响因素。因此长时间加热电弧风洞条件下树脂基复合材料引射因子测试具有较高难度。

基于上述考虑，本发明设计一种树脂基复合材料热解引射因子测试装置，如图1所示，包括送进导轨1和双联水冷送进支架2。

双联水冷送进支架2通过转接段与送进导轨1连接，双联水冷送进支架2在电信号驱动下沿送进导轨1移动；双联水冷送进支架2上设置有两个连通的空腔，空腔周边设置有水冷槽，与外部冷却水连接，用于通过不断循环的冷却水为空腔降温。

利用上述装置进行树脂基复合材料热解引射因子测试的方法如下：

步骤一：完成测试前的准备工作。

1)完成风洞3的叠片加热器的安装，并对其气密封水密封电绝缘性能进行测量，确保运行前各指标参数正常；

2)将喷管与风洞连接，检查喷管气密封水密封性能，参数正常以后与叠片加热器对接；

3)将双联水冷送进支架2通过转接段与喷管进行半固定连接；

5)调整送进导轨方向，将送进导轨1通过转接段与洞体固联，使其送进双联水冷送进支架时不受干涉；

6)安装测试探头，完成电气连接并检查信号；

7)保护电缆，清理洞体，完成安装。

电弧风洞试验前采用与正式试验件外形一致的第一模拟件(可以是金属材料或树脂基复合材料)和第二模拟件(不需要碳化，可以是金属材料或树脂基复合材料)进行状态调试，第一模拟件和第二模拟件上相同位置处布置传感器，以监测各测点的热流和压力值，2个模拟件传感器布置完全一致。状态调试中第二模拟件以送进方式进入。比较同一车次，两件模拟件对应点测量值，要求一致。判断测量值是否达到要求，若是，则风洞参数调整到位，若未达到要求，则进一步对风洞参数进行调整。

试验过程采用送进机构，第一件试验件加热一定时间后，推出，同时快速送进第二件试验件，加热一定时间，结束一次风洞试验。

步骤二、选取第一试验件和第二试验件两个试验件，其中第一试验件和第二试验件原始材料为同一种材料，且第一试验件为原始树脂基复合材料，第二试验件为经过碳化的树脂基复合材料；在第一试验件和第二试验件的相同位置处放置相同的热流传感器。

第二试验件的获取方式如下：

利用与测试过程相同来流状态的风洞，对第二试验件的原始材料进行加热，使其碳化(3/5—4/5)厚度，得到第二试验件。

步骤三、在双联水冷送进支架2的靠近风洞的空腔中放入第一试验件，在另一个空腔中放入第二试验件。放置时，接触面用硅橡胶混合铝粉密封。

步骤四、对风洞进行抽真空。

步骤五、为双联水冷送进支架2加电，双联水冷送进支架2在电信号作用下沿送进导轨1移动，直到第一试验件位于风洞出口处，双联水冷送进支架2停止移动，启动风洞，对第一试验件进行加热，加热时间t₁，采集设备采集第一试验件上热流传感器的数据。

步骤六、双联水冷送进支架2继续向前移动，直到第二试验件位于风洞出口处，双联水冷送进支架2停止移动，风洞对第二试验件进行加热，加热时间t₂，采集设备采集第二试验件上热流传感器的数据。

步骤七、关闭风洞。

步骤八、对第一试验件上热流传感器后t₁/2的数据进行处理，得到有气体引射时第一试验件的壁面热流密度q_w，对第二试验件上热流传感器前t₂/2的数据进行处理，得到无气体引射时第二试验件的壁面热流密度q₀，利用θ＝q_w/q₀计算引射因子θ。

本发明的第一试验件经过一次试验后，可以作为下次试验时的第二试验件使用。

测试过程中，通过控制风洞的来流参数，保证第一试验件和第二试验件的表面温度不高于原始材料的烧蚀温度。

材料表面粗糙度、辐射系数对材料表面热流有一定影响。本发明中，选取同种材料先碳化后备用，作为无引射状态的试验件，试验过程中原材料件数据(第一试验件)选用后半程数据，碳化件(第二试验件)选用前半程数据，则表面粗糙度基本可保持一致。即可去除表面粗糙度、辐射系数的影响。测量同一参数的传感器布置在两个试验件同一位置，避免引入流场误差。很好地解决了表面状态的影响。

同时，为了去除风洞流场的影响，本发明设计了双联水冷送进机构，详见图1。在同一流场中获得有原始材料(第一试验件)热解条件下表面热流参数和碳化件无热解条件下表面热流参数。同时，将传感器安装在平板试验件流场中下游的同一位置，保证上游平板热解气体充分冷却下游流场，去除流场分布不均匀的影响。图1中4为第二试验件，5为第一试验件。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种树脂基复合材料热解引射因子测试装置，其特征在于：包括送进导轨(1)和双联水冷送进支架(2)；

双联水冷送进支架(2)通过转接段与送进导轨(1)连接，双联水冷送进支架(2)在电信号驱动下沿送进导轨(1)移动；双联水冷送进支架(2)上设置有两个连通的空腔，空腔周边设置有水冷槽，与外部冷却水连接，用于通过不断循环的冷却水为空腔降温。

2.利用权利要求1所述一种树脂基复合材料热解引射因子测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：完成测试前的准备工作；

步骤二、选取第一试验件和第二试验件两个试验件，其中第一试验件和第二试验件原始材料为同一种材料，且第一试验件为原始树脂基复合材料，第二试验件为经过碳化的树脂基复合材料；在第一试验件和第二试验件的相同位置处放置相同的热流传感器；

步骤三、在双联水冷送进支架(2)的靠近风洞的空腔中放入第一试验件，在另一个空腔中放入第二试验件；

步骤四、对风洞进行抽真空；

步骤五、为双联水冷送进支架(2)加电，双联水冷送进支架(2)在电信号作用下沿送进导轨(1)移动，直到第一试验件位于风洞出口处，双联水冷送进支架(2)停止移动，启动风洞，对第一试验件进行加热，加热时间t₁，采集设备采集第一试验件上热流传感器的数据；

步骤六、双联水冷送进支架(2)继续向前移动，直到第二试验件位于风洞出口处，双联水冷送进支架(2)停止移动，风洞对第二试验件进行加热，加热时间t₂，采集设备采集第二试验件上热流传感器的数据；

步骤七、关闭风洞；

步骤八、对第一试验件上热流传感器的数据进行处理，得到有气体引射时第一试验件的壁面热流密度q_w，对第二试验件上热流传感器的数据进行处理，得到无气体引射时第二试验件的壁面热流密度q₀，利用θ＝q_w/q₀计算引射因子θ。

3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，所述步骤一中测试前的准备工作如下：

1)完成风洞(3)的叠片加热器的安装，并对其气密封水密封电绝缘性能进行测量，确保运行前各指标参数正常；

2)将喷管与风洞连接，检查喷管气密封水密封性能，参数正常以后与叠片加热器对接；

3)将双联水冷送进支架(2)通过转接段与喷管进行半固定连接；

5)调整送进导轨方向，将送进导轨(1)通过转接段与洞体固联，使其送进双联水冷送进支架时不受干涉。

4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，所述步骤八中，对第一试验件上热流传感器后t₁/2的数据进行处理，得到有气体引射时第一试验件的壁面热流密度q_w。

5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述步骤八中，对第二试验件上热流传感器前t₂/2的数据进行处理，得到有气体引射时第一试验件的壁面热流密度q₀。

6.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，所述步骤三中，在双联水冷送进支架(2)靠近风洞的空腔中放入第一试验件时，接触面用硅橡胶混合铝粉密封；在另一个空腔中放入第二试验件时，接触面用硅橡胶混合铝粉密封。

7.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，测试过程中，通过控制风洞的来流参数，保证第一试验件和第二试验件的表面温度不高于原始材料的烧蚀温度。

8.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，第二试验件的获取方式如下：

利用与测试过程相同来流状态的风洞，对第二试验件的原始材料进行加热，使其碳化3/5—4/5厚度，得到第二试验件。

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