碳纤维真空热试验工装加热笼制造技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维真空热试验工装加热笼，包括相对平行竖立设置的两连接杆，上下端分别穿设有与其垂直的铝型材，外侧也分别竖立设置铝型材，铝型材通过直角接头固定形成铝制骨架，两连接杆上设置有若干异形件，异形件与连接杆表面形成弯折空间，起始端连接在接线端口上的碳纤维加热带通过绕制在异形件的弯折空间平行往返布置并终点连接在另一接线端口上，将试验电缆与接线端口连接，形成试验电流回路，其中，碳纤维加热带由3K的碳纤维丝编织而成。本发明专利技术结构简单，装配便利，与镍铬合金加热笼相比大幅减轻了重量，具有更佳的电热红外辐射效率，能适应各种类型的、各种尺寸的加热需求，有着很强的通用性。

Carbon fiber vacuum thermal test fixture heating cage

The invention discloses a carbon fiber heating vacuum thermal test tooling cage, including relatively parallel vertically arranged two connecting rod, upper and lower respectively with vertical wear of aluminum, aluminum were also erected outside the set, aluminum by fixed angle joint formed aluminum frame, two connecting rod is provided with a plurality of shaped pieces and the surface of the connecting rod shaped pieces, forming a bending space, the starting end of the carbon fiber heating connected to the connection port on the belt through the winding arrangement in parallel bending space shuttle shaped pieces and connected to the other end point connection port, will be connected with the connection port test cable, forming test circuit, wherein, the carbon fiber the heating belt made of carbon fiber braid and 3K. The invention has the advantages of simple structure, convenient assembly, compared with Ni Cr alloy heating cage significantly reduce the weight of electric heating infrared radiation has better efficiency, can meet the heating needs of various sizes of various types, and has a strong versatility.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于航天器真空热试验用的工装加热笼，此装置适用于航天器地面热真空试验。
技术介绍
加热笼是航天器太空环境模拟试验中的关键工装，主要作用是模拟卫星在太空环境中的高温和低温变化，以实现对卫星整体特性的评价。传统的红外加热笼采用镍铬合金金属带涂覆特种高半球发射率黑漆涂层作为加热体，由于线性膨胀，必须在骨架上挂接弹簧，来抵消热试验冷热交变下的带条长度变化，因此，这类加热笼存在着手工工作量大，效率偏低的问题。航天器真空热试验需要产生红外辐射来模拟太空环境，目前有很多产生红外辐射的装置，如陶瓷红外加热器、石英加热管、卤素加热管等，包括现有加热笼涂覆黑漆的金属带，这些都可以考虑在真空热试验中使用。碳纤维是一种高发射率的柔性碳材料，具有高比强度、高比模量、电热辐射效率高等突出的电热性能优势，现已广泛应用于民用取暖行业，如地暖、浴霸、电加热器等。在真空热试验应用领域，碳纤维材料的适用性是最佳的，这是因为：1在高低温环境中的热膨胀系数几乎为零，这恰好能够适应真空环境中冷热交变的条件，无需挂接弹簧，简化了装配过程。2可直接制成带条状，符合了加热笼带条可弯曲可裁剪易装配的需要，因此相比卤素加热管等无法自由布局的情况，具有极大的装配优势。3电热转换效率高，远红外辐射效率高达90％。4再由于碳纤维的近黑体特性，光谱发射率在0.9以上，试验时可免于喷涂黑漆，节省了大量成本。综上所述，采用碳纤维材料作为加热笼的辐射加热体，无论从装配便利性、热辐射效率提高、降低成本以及复杂温度环境的适应性方面，都具有极大应用潜力。但是，如何采用碳纤维材料支撑合适的加热笼，特别是应用于航天器地面真空热试验中，对本领域来说是急需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于航天器真空热试验用的工装装置，加热效率高且稳定，结构简单，加工便捷，安装轻便，免去黑漆喷涂环节，原料的可获得性与经济性均佳，能完美替代目前所用的镍铬加热笼。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案：碳纤维真空热试验工装加热笼，包括相对平行竖立设置的两连接杆，两连接杆的上下端分别穿设有与连接杆垂直的铝型材，竖立的两连接杆外侧也分别竖立设置铝型材，连接杆之间的铝型材与外侧的铝型材分别通过直角接头固定形成铝制骨架，以固定两连接杆，两连接杆上分别设置有若干异形件，一连接杆上部设置接线端口，另一连接杆下部同样设置接线端口，异形件与连接杆表面形成弯折空间，起始端连接在接线端口上的碳纤维加热带通过绕制在异形件的弯折空间平行往返布置并终点连接在另一接线端口上，配备电源，将试验电缆与接线端口连接，形成试验电流回路，其中，碳纤维加热带由3K的碳纤维丝编织而成，为多向带状编织，单丝纤维形成自锁式抱合结构。其中，连接杆上的异形件呈挂钩状，将碳纤维加热带直接挂装到上下连接杆上，保证加热带的宽面与骨架平面同向，形成回路，回路的两端预留接线端口，整体加热带呈平行均匀分布在一个平面。其中，加热带为碳纤维材料，通过含量5％的高温定型胶和电热丝的复合，并进行高温热处理，使碳纤维加热带既能够适应-180℃至+200℃的温度变化，又能够做到任意弯折而不折断。其中，骨架为方铝管，将方铝管插入直角接头，接头处打孔用螺钉紧固。其中，连接杆为聚四氟乙烯板材，长条形。其中，连接杆通过螺钉直接固定到铝骨架的上下两侧，平行分布。其中，接线端口采用铜片压接，穿螺钉与铜片上。其中，碳纤维加热带采用了多向带状编织结构，截面呈扁条状，每米的电阻值在2欧至8欧之间。其中，碳纤维加热带的光谱发射率在0.91以上。其中，碳纤维的单丝直径在5-7微米。本专利技术与原有的工装相比，无论是电热材料、装配工艺、骨架材料还是连接方式，均与目前所用镍铬合金加热笼完全不同，碳纤维的电热辐射效率高于镍铬合金，经实验测定在3.5A的电流下镍铬合金带自身温度不高于280℃，而碳纤维带则远高于300℃。在真空与高低温环境下(气压低于10-3帕，温度在-180℃至+200℃变化)通断电，碳纤维加热带没有质损。无论是在人力成本还是物力成本均大幅降低，同时具有极高的电热红外辐射效率。附图说明图1是本专利技术的碳纤维真空热试验工装加热笼中碳纤维加热带的生产流程图。图2是本专利技术的碳纤维真空热试验工装加热笼中碳纤维加热带的光谱发射率测试曲线图。图3是本专利技术的碳纤维真空热试验工装加热笼中碳纤维加热带负载电流与表面温度变化关系图。图4是本专利技术的碳纤维真空热试验工装加热笼的结构示意图。其中，1、骨架直角接头；2、连接杆；3、接线端口(压接铜片与接线螺钉)；4、平行往返布置的碳纤维加热带；5、铝制骨架；6、连接杆上的异形件。图5是实验时碳纤维真空热试验工装加热笼通电电流与时间曲线图(右侧纵轴)图6是实验时碳纤维真空热试验工装加热笼的三条加热带上的时间-温度曲线图图7是布置在铝板上的四个热流计的时间-温度曲线图。具体实施方式以下介绍的是作为本专利技术所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本专利技术的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本专利技术的不同方面的内容，而不应理解为限制本专利技术范围。本专利技术中碳纤维加热带的设计过程如下：1.碳纤维加热带的外型设计碳纤维的单丝直径在5-7微米，成品碳纤维中的超细碳纤维单丝一般呈束状集合，本专利技术采用了碳纤维多股丝束带状编织技术，通过特定的碳纤维编织设备对纤维丝束进行多向带状编织，单丝纤维之间通过多向编织形成自锁式抱合结构，纤维丝束之间紧密牢固接触，避免了单丝之间大概率的松散状态，有效保证了碳纤维丝束的结构稳定性，同时通过这种多股带状编织的结构设计可以在结构稳定的同时最大限度保证其电阻在长度方向上的稳定均匀。2.碳纤维加热带的电阻匹配设计本专利技术采取的多股编织带外型结构设计，在保证整体抱合力的同时又可以通过单股丝束量、合股数的灵活调整，灵活设计编织带的整体电阻值，达到灵活调整电阻性能的目的，其中多股编织工艺及碳纤维柔性编织带的电阻调整方案，如表1所示。由表1可见，通过不同K数碳纤维的编织方案优选，可以灵活调整碳纤维柔性加热带的单位长度电阻值，本专利技术选取了两种编织方案，调整单股纤维量(K数)和编织股数可以设计出7种不同的单位电阻指标，最终的单位长度电阻值可以在2欧姆/米到8欧姆/米之间调整，若需要单位长度上更小的电阻值，也可采用碳纤维多股编织带的并用方式，如此方案设计完全可以满足加热笼的不同辐射功率设计要求。表1不同K数及编织股数的单位长度电阻设计方案3.碳纤维加热带的力学特性设计根据加热笼的装配要求，需要加热带具备一定的韧性和弹性，以适应不同温度下的尺寸变化；同时该加热带需要抵抗装配过程中拐角位置的弯折和扭曲，因此需要在加热带表面进行一定的高温定型处理，以达到保证碳纤维丝束柔性基础的条件下，赋予其一定的力学刚性和韧性。选择了两种韧性不同的高温定型胶、选择涂覆1％、2％、3％、4％、5％、10％六种不同定型胶黏剂含量的碳纤维丝束进行高温处理，形成碳纤维复合加热带样品，通过热处理成型的复合加热带力学特性的测试发现，胶黏剂种类与含量的变化对于加热带的韧性和刚性有着重要的影响，如表2所示。表2定型剂种类与浓度对碳纤维多股编织柔性加热带的力学特性影响对比从表2的数据对比可见，定型胶的类型对碳纤维加热带的刚度有较大影响，复本文档来自技高网...

【技术保护点】
碳纤维真空热试验工装加热笼，包括相对平行竖立设置的两连接杆，两连接杆的上下端分别穿设有与连接杆垂直的铝型材，竖立的两连接杆外侧也分别竖立设置铝型材，连接杆之间的铝型材与外侧的铝型材分别通过直角接头固定形成铝制骨架，以固定两连接杆，两连接杆上分别设置有若干异形件，一连接杆上部设置接线端口，另一连接杆下部同样设置接线端口，异形件与连接杆表面形成弯折空间，起始端连接在接线端口上的碳纤维加热带通过绕制在异形件的弯折空间平行往返布置并终点连接在另一接线端口上，配备电源，将试验电缆与接线端口连接，形成试验电流回路，其中，碳纤维加热带由3K的碳纤维丝编织而成，为多向带状编织，单丝纤维形成自锁式抱合结构。

【技术特征摘要】
1.碳纤维真空热试验工装加热笼，包括相对平行竖立设置的两连接杆，两连接杆的上下端分别穿设有与连接杆垂直的铝型材，竖立的两连接杆外侧也分别竖立设置铝型材，连接杆之间的铝型材与外侧的铝型材分别通过直角接头固定形成铝制骨架，以固定两连接杆，两连接杆上分别设置有若干异形件，一连接杆上部设置接线端口，另一连接杆下部同样设置接线端口，异形件与连接杆表面形成弯折空间，起始端连接在接线端口上的碳纤维加热带通过绕制在异形件的弯折空间平行往返布置并终点连接在另一接线端口上，配备电源，将试验电缆与接线端口连接，形成试验电流回路，其中，碳纤维加热带由3K的碳纤维丝编织而成，为多向带状编织，单丝纤维形成自锁式抱合结构。2.如权利要求1所述的加热笼，其中，连接杆上的异形件呈挂钩状，将碳纤维加热带直接挂装到上下连接杆上，保证加热带的宽面与骨架平面同向，形成回路，回路的两端预留接线端口，整体加热带呈平行均匀分布在一个平面。3.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐飞，李玉忠，李智生，及春河，杨万青，崔立军，佟永利，陈磊，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11