一种热防护材料防隔热测试系统、测试方法及热处理方法技术方案

本发明专利技术公开了一种热防护材料防隔热测试系统、测试方法及热处理方法，本发明专利技术可以实现航天用热防护材料更接近服役环境的多状态防隔热性能测试。同时，热防护材料制备过程中进行单面热处理或烧结，在厚度方向形成梯度温度，表面经历高温，在高温下服役时稳定，而向内温度逐渐降低，材料的力学性能和隔热性能都得到提高。经测试，材料的整体力学性能可以提高20％左右，而热导率则可以下降10％以上。因此，本发明专利技术的测试系统可以实现热防护材料更接近服役环境的多状态防隔热性能测试，也可以实现材料制备过程中单面高温快速加热处理，提高热防护材料的综合性能。

Heat insulation material test system, test method and heat treatment method for thermal protection material

The invention discloses a thermal protection material anti heat test system, a test method and a heat treatment method. The invention can realize the multi state anti thermal insulation performance test of the space thermal protective material more close to the service environment. At the same time, heat treatment or sintering in the process of thermal protection materials, the formation of gradient temperature in the thickness direction, the surface experienced high temperature, stable in the high temperature service, and the inward temperature gradually decreased, the mechanical properties and thermal insulation properties of the material are improved. After testing, the overall mechanical properties of the material can be increased by about 20%, while the thermal conductivity can be reduced by more than 10%. Therefore, the test system of the invention can realize the multi state anti thermal insulation performance test of the thermal protective material more close to the service environment, and can also realize the high temperature and rapid heating treatment in the process of material preparation, and improve the comprehensive performance of the thermal protection material.

【技术实现步骤摘要】
一种热防护材料防隔热测试系统、测试方法及热处理方法
本专利技术涉及一种热防护材料防隔热测试系统、测试方法及热处理方法，属于特种测试和工艺设备领域。
技术介绍
航天飞行器的热防护材料是保证其高速飞行中气动热不伤及飞行器内部结构的关键。随着飞行器向高速化、机动化等方向发展，新型非烧蚀耐高温热防护材料(包括防热材料、隔热材料和防隔热一体化材料等)是未来新型航天器发展的重点。航天用耐高温非烧蚀热防护材料在应用过程中通常仅经受单面的气动热，即热量从飞行器外表面逐渐向内部传递。从热防护材料来看，表面经受的温度较高，而内部则为逐渐的降温状态。热防护材料的制备通常要经过高温烧结或热处理过程，以保证其在高温服役过程中尺寸和性能基本稳定。但从材料的本身特性可知，随着材料制备过程中的烧结温度提高，尤其是温度较高时，材料力学性能和隔热性能通常会降低。传统的炉内烧结或热处理方法是材料整体的高温烧结或热处理，对于热防护材料而言，其内部则经历了过高温度的烧结或热处理，在一定程度上降低了材料的性能。目前，航天热防护材料的防隔热性能评价通常采用热导率测试、表面热辐射系数测试、背温测试等手段，其中热导率测试采用稳态法或激光脉冲法测试，高温性能的测试需要将材料在一定温度下恒温后再行测试。在高温性能的测试过程中，尤其是温度超过了材料制备温度时，长时间的恒温加热将促进材料内部结构的变化，从而降低材料的性能，虽然能够反映高温状态下材料的性能，但并不能反映真实应用过程中内部存在温度梯度的热防护材料的性能。石英灯单面空气环境中加热测试背温的方法，是采用单面加热源将热防护材料单面加热，测试其背面温升的一种测试方法，该方法在一定程度上模拟了防热材料在飞行器表面服役的状态，但由于加热源的加热速率问题，其表面温升基本上是一个逐渐加热到预定温度的过程，而且其最大考核温度不超过1500℃，其考核过程与真实服役环境存在较大差异。采用硅碳棒替代石英灯可以实现超过1500℃的考核温度(最高也不超过1700℃)，但其加热速率更低，其模拟的加热过程与真实环境差异更大。另外，石英灯或硅碳棒单面加热测试背温的方法不能实现多环境、多参数的联合考核评价。非烧蚀热防护材料防隔热性能的评估，除了获取材料真实的本征性能数据外，还需要根据服役环境特点获取不同加热环境中的总体性能，如变真空状态、高温有氧环境、高温惰性环境等。现有方法虽然在一定程度上能够对航天热防护材料进行表征，但仍存在模拟考核条件偏差而造成材料性能失真、不能多环境考核及不能多参数快速获取等问题。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种热防护材料防隔热测试系统、测试方法及热处理方法，以更真实更有效的评价热防护材料的防隔热性能，也可以实现对热防护材料进行热处理。本专利技术的技术解决方案：一种热防护材料防隔热测试系统，包括多室炉分系统、炉门及样件卡持分系统、加热分系统、测控温分系统和数据处理分系统，多室炉分系统为以三个腔室的基本单元及其组合构成或四个腔室的基本单元及其组合构成，三个腔室的基本单元一体结构，依次包括第一冷却室、加热室和第二冷却室，三个腔室的基本单元组合后，相邻冷却室可以合并为一个冷却室；四个腔室的基本单元一体结构，依次包括第一冷却室、主加热室、补充加热室和第二冷却室，四个腔室的基本单元组合后，相邻冷却室可以合并为一个冷却室；炉门及样件卡持分系统为与多室炉分系统配合使用的一体化移动炉门，初始状态下，样件镶嵌在与冷却室对应的炉门上，测控温分系统给加热分系统发出加热指令，加热分系统接收测控温分系统发给的加热指令，按照指令对主加热室或补充加热室加热，测控温分系统实时采集加热室温度，并将温度信息传送给数据处理分系统，对温度信息进行记录和处理。工作状态下，移动炉门及样件卡持分系统，使装有样件的炉门对应主加热室，测控温分系统给加热分系统发出加热指令，加热分系统接收测控温分系统发给的加热指令，按照指令对主加热室加热，测控温分系统实时采集样件的加热面和背面温度及加热室温度，并将温度信息传送给数据处理分系统，对温度信息进行记录和处理。当样件按照指令完成预期加热后，移动炉门及样件卡持分系统至初始位置，使加热后的样件进入冷却室，测控温分系统实时采集样件的加热面和背面温度，并将温度信息传送给数据处理分系统，对温度信息进行记录和处理。腔室内部均由耐1000℃-2000℃的多孔纤维炉膛材料构成，炉膛材料的抗热震温差不低于1000℃。还包括密闭壳体多环境分系统，将多室炉分系统、炉门及样件卡持分系统封闭于密闭壳体中，通过控制密闭壳体内部气体环境实现不同环境下对热防护材料样件的测试或制备。还包括安全保障分系统，其对加热分系统、测控温分系统和密闭壳体多环境分系统进行故障实时监测，当检测到故障时，发出报警信号，由测控温分系统或人工对加热分系统停止加热。一种热防护材料防隔热测试方法，具体步骤如下：(1)镶嵌样件：将待加热样件镶嵌在与冷却室对应的炉门上，待加热面朝向主加热室方向，并与周围炉膛材料齐平，样件周围的缝隙用隔热材料填充，将固定有热偶的耐高温板贴附于样件背面，通过隔热材料将样件及耐高温板封闭到炉门内；(2)初始状态加热：镶嵌有样件的炉门与冷却室对应，测控温分系统给加热分系统发出加热指令，加热分系统接收测控温分系统发给的加热指令，按照指令对主加热室或补充加热室加热，测控温分系统实时采集加热室温度，并将温度信息传送给数据处理分系统，对温度信息进行记录；(3)样件移入加热：移动炉门及样件卡持分系统，使装有样件的炉门对应主加热室，测控温分系统给加热分系统发出加热指令，加热分系统接收测控温分系统发给的加热指令，按照指令对主加热室加热，测控温分系统实时采集样件的加热面和背面温度及加热室温度，并将温度信息传送给数据处理分系统，对温度信息进行记录；(4)样件移出冷却：当样件按照指令完成预期加热后，移动炉门及样件卡持分系统至初始位置，使加热后的样件进入冷却室，测控温分系统实时采集样件的加热面和背面温度，并将温度信息传送给数据处理分系统，对温度信息进行记录；(5)数据处理分系统对步骤2-4获得的温度信息进行处理，获得反映热防护材料样件防隔热性能的数据，以评判热防护材料的防隔热性能。初始状态加热之前，还可以通过控制密闭壳体内部气体环境实现不同环境下对热防护材料样件的测试，开启水冷实现密闭壳体的持续冷却。一种热防护材料热处理方法，具体步骤如下：(1)镶嵌待热处理样件：将待热处理样件镶嵌在与冷却室对应的炉门上，待加热面朝向主加热室方向，并与周围炉膛材料齐平，待热处理样件周围的缝隙用隔热材料填充，通过隔热材料将待热处理样件封闭到炉门内；(2)初始状态加热：镶嵌有待热处理样件的炉门与冷却室对应，测控温分系统给加热分系统发出加热指令，加热分系统接收测控温分系统发给的加热指令，按照指令对主加热室加热，测控温分系统实时采集加热室温度，并将温度信息传送给数据处理分系统，对温度信息进行记录；(3)待热处理样件移入加热：移动炉门及样件卡持分系统，使装有待热处理样件的炉门对应主加热室，测控温分系统给加热分系统发出加热指令，加热分系统接收测控温分系统发给的加热指令，按照指令对主加热室加热，测控温分系统实时采集样件的加热面温度及加热室温度，并将温度信息传送给数据处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热防护材料防隔热测试系统，其特征在于，包括多室炉分系统、炉门及样件卡持分系统、加热分系统、测控温分系统和数据处理分系统；多室炉分系统为以三个腔室的基本单元及其组合构成或四个腔室的基本单元及其组合构成，三个腔室的基本单元一体结构，依次包括第一冷却室、加热室和第二冷却室，三个腔室的基本单元组合后，相邻冷却室可以合并为一个冷却室；四个腔室的基本单元一体结构，依次包括第一冷却室、主加热室、补充加热室和第二冷却室，四个腔室的基本单元组合后，相邻冷却室可以合并为一个冷却室；炉门及样件卡持分系统为与多室炉分系统配合使用的一体化移动炉门，初始状态下，样件镶嵌在与冷却室对应的炉门上，测控温分系统给加热分系统发出加热指令，加热分系统接收测控温分系统发给的加热指令，按照指令对主加热室或补充加热室加热，测控温分系统实时采集加热室温度，并将温度信息传送给数据处理分系统，对温度信息进行记录和处理。

【技术特征摘要】
1.一种热防护材料防隔热测试系统，其特征在于，包括多室炉分系统、炉门及样件卡持分系统、加热分系统、测控温分系统和数据处理分系统；多室炉分系统为以三个腔室的基本单元及其组合构成或四个腔室的基本单元及其组合构成，三个腔室的基本单元一体结构，依次包括第一冷却室、加热室和第二冷却室，三个腔室的基本单元组合后，相邻冷却室可以合并为一个冷却室；四个腔室的基本单元一体结构，依次包括第一冷却室、主加热室、补充加热室和第二冷却室，四个腔室的基本单元组合后，相邻冷却室可以合并为一个冷却室；炉门及样件卡持分系统为与多室炉分系统配合使用的一体化移动炉门，初始状态下，样件镶嵌在与冷却室对应的炉门上，测控温分系统给加热分系统发出加热指令，加热分系统接收测控温分系统发给的加热指令，按照指令对主加热室或补充加热室加热，测控温分系统实时采集加热室温度，并将温度信息传送给数据处理分系统，对温度信息进行记录和处理。2.如权利要求1所述的热防护材料防隔热测试系统，其特征在于，工作状态下，移动炉门及样件卡持分系统，使装有样件的炉门对应主加热室，测控温分系统给加热分系统发出加热指令，加热分系统接收测控温分系统发给的加热指令，按照指令对主加热室加热，测控温分系统实时采集样件的加热面和背面温度及加热室温度，并将温度信息传送给数据处理分系统，对温度信息进行记录和处理。3.如权利要求1所述的热防护材料防隔热测试系统，其特征在于，当样件按照指令完成预期加热后，移动炉门及样件卡持分系统至初始位置，使加热后的样件进入冷却室，测控温分系统实时采集样件的加热面和背面温度，并将温度信息传送给数据处理分系统，对温度信息进行记录和处理。4.如权利要求1所述的热防护材料防隔热测试系统，其特征在于，腔室内部均由耐1000℃-2000℃的多孔纤维炉膛材料构成，炉膛材料的抗热震温差不低于1000℃。5.如权利要求1所述的热防护材料防隔热测试系统，其特征在于，还包括密闭壳体多环境分系统，将多室炉分系统、炉门及样件卡持分系统封闭于密闭壳体中，通过控制密闭壳体内部气体环境实现不同环境下对热防护材料样件的测试或制备。6.如权利要求5所述的热防护材料防隔热测试系统，其特征在于，还包括安全保障分系统，其对加热分系统、测控温分系统和密闭壳体多环境分系统进行故障实时监测，当检测到故障时，发出报警信号，由测控温分系统或人工对加热分系统停止加热。7.一种热防护材料防隔热测试方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)镶嵌样件：将待加热样件镶嵌在与冷却室对应的炉门上，待加热面朝向主加热室方向，并与周围炉膛材料齐平，样件周围的缝隙用隔热材料填充，将固定有热偶的耐高温板贴附于样件背面，通过隔热...

【专利技术属性】
技术研发人员：李同起，冯志海，张大海，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11