一种极低温度下材料半球发射率测试装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种极低温度下材料半球发射率测试装置与方法，能测试深空探测、航天领域中的半球发射率。该装置包括热平衡绝热腔、真空制冷系统、样品稳态控制系统和数据采集系统；热平衡绝热腔包括腔体、回温加热器和多个腔体温度传感器，腔体包括真空外腔和绝热内腔，样品容纳于内腔中；真空制冷系统包括与绝热内腔相连通的低温制冷部分和与真空外腔和绝热内腔相连通的无油抽真空部分；样品稳态控制系统包括样品加热器以及样品温度传感器；数据采集系统包括与腔体温度传感器和回温加热器相连的温度控制器、与腔体温度传感器和样品温度传感器相连的温度监控器、与样品加热器相连的电流源表、与样品加热器相连的电压表以及与上述器件相连的计算机。与上述器件相连的计算机。与上述器件相连的计算机。

【技术实现步骤摘要】
一种极低温度下材料半球发射率测试装置与方法


[0001]本专利技术属于材料性能测试领域，具体地，涉及一种极低温度下材料半球发射率测试装置与方法。

技术介绍

[0002]由于距离地球百万公里之遥的深空是一个黑冷的空间，外界温度一般在几十K，甚至更低到几K，接近绝对零度。处于深空环境的飞行器，如火星探测器和新技术飞行器等，它们的辐射器、结构材料以及表面材料的工作温度在40K～50K，半球发射率是表征这些材料热物性的关键参数，决定热设计成效。
[0003]目前国外航天部门在研制新型飞行器时，通常设计一个庞大的测试装置，采用大量液氦来获得极低温环境，花费巨大。而国内现有的发射率测试技术，都是适用材料在室温附近的，尚没有能够满足极低温度下的半球发射率测试方法和测试装置。

技术实现思路

[0004]鉴于以上所述，本专利技术目的在于提供一种极低温度下材料半球发射率测试装置与方法，能够应用于深空探测、航天领域中的热控材料、薄膜材料等在不同低温情况下的半球发射率测试。
[0005]为此，一方面，本专利技术提供了一种极低温度下材料半球发射率测试装置，包括：用于为样品提供低温真空环境的热平衡绝热腔；用于对所述热平衡绝热腔抽真空并降温的真空制冷系统；用于控制所述样品的温度的样品稳态控制系统；和用于测试过程中获取样品温度、热平衡绝热腔的内腔温度、样品加热器电压值和样品加热器电流值的数据采集系统；所述热平衡绝热腔包括腔体、回温加热器和用于监测腔体温度的多个腔体温度传感器，所述腔体包括真空外腔和绝热内腔，所述样品容纳于所述绝热内腔中，所述回温加热器设于所述绝热内腔中，所述多个腔体温度传感器设于所述绝热内腔的内表面；所述真空制冷系统包括低温制冷部分和无油抽真空部分，所述低温制冷部分与所述绝热内腔相连通且包括依次相连的氦气闭循环低温冷头、压缩机和冷水机，所述无油抽真空部分分别与所述真空外腔和绝热内腔相连通且包括依次相连的分子泵和干泵；所述样品稳态控制系统包括用于加热所述样品的样品加热器以及用于测量所述样品的温度的样品温度传感器；所述数据采集系统包括与所述腔体温度传感器和回温加热器相连的温度控制器、与所述腔体温度传感器和样品温度传感器相连的温度监控器、与所述样品加热器相连的电流源表、与所述样品加热器相连的电压表以及与所述温度控制器、温度监控器、电流源表和电压表相连的计算机。
[0006]根据本专利技术，该装置基于热平衡稳态法进行测试，主要由真空制冷系统、热平衡绝热腔体、样品稳态控制系统和数据采集系统四部分组成。可以实现装置中样品所处的低温真空热平衡环境温度始终低于8K，真空度优于4
×
10-4
Pa。本专利技术装置能够使测试样品的发射率温度范围40K～300K，半球发射率范围在0.05～0.95，测试精度可达0.005，对涂层、薄
膜、薄型陶瓷片或金属薄板等多种类型材料适用。本专利技术的测试装置适用于极低温度下材料辐射性能的测试，可以获得材料处于不同低温度下的半球向发射率，并具有测量准确度高、消能低等特点，满足深冷空间材料发射率测量的需要。
[0007]较佳地，所述真空外腔与绝热内腔之间设有隔热屏。由此，可以实现对内腔的绝热处理，保证内腔的低温。
[0008]较佳地，所述无油抽真空部分还包括氦气瓶。由此，可以充入少量高纯氦气作为介质，缩短样品达到低温平衡的时间。
[0009]较佳地，所述样品通过绝热纤维悬挂于所述绝热内腔中，以避免样品与绝热内腔之间因热传导可能产生的热交换，使样品更易达到热平衡。
[0010]较佳地，所述样品固定到基板上，在该基板的背面安装所述样品加热器和样品温度传感器，并使用已知低发射率的胶带覆盖，以减小样品加热器辐射能量和样品温度传感器辐射能量对测量结果的影响。
[0011]较佳地，所述绝热内腔采用柔软金属(例如金属铟)密封，以使绝热内腔具有良好的密封性，使样品处于高真空的环境，减小样品与绝热内腔因气体传导产生的热交换；所述真空外腔采用胶圈密封，使真空外腔具有良好的密封性，减小绝热内腔与真空外腔间的热量交换。
[0012]较佳地，所述样品为导热较好(热导率大于0.2W
·
m-1
·
K-1
)的材料，优选为涂层、薄膜、陶瓷薄片或金属板材。
[0013]另一方面，本专利技术还提供了使用上述极低温度下材料半球发射率测试装置进行测试的方法，包括：将待测样品置于热平衡绝热腔的腔体的绝热内腔中；使用分子泵和干泵进行抽真空；打开冷水机、压缩机和氦气闭循环低温冷头对热平衡绝热腔和样品降温；设置样品加热器电流以控制加热功率，使样品温度稳定在设定温度点，记录以下数据：样品温度，热平衡绝热腔的内腔温度，样品加热器电流值和样品加热器电压值；根据所述数据进行计算获得样品在不同温度点的半球发射率。
附图说明
[0014]图1为本专利技术一实施形态的极低温下稳态法半球发射率测试装置的结构示意图；图2为使用本专利技术的装置和方法进行测试的一示例样品结构图；图3为使用本专利技术的装置和方法测试一种航天白涂层40K～300K半球发射率图；附图标记：1为真空制冷系统，1-1为氦气闭循环低温冷头，1-2为压缩机，1-3为冷水机，1-4为分子泵，1-5为干泵，1-6为氦气瓶，2为热平衡绝热腔，2-1为腔体，2-2为回温加热器，2-3为第一温度传感器，2-4为第二温度传感器，2-5为第三温度传感器，2-6为第四温度传感器，3为样品稳态控制系统，3-1为第五温度传感器，3-2为样品加热器，3-3为样品，4为数据采集系统，4-1为温度控制器，4-2为温度监控器，4-3为电流源表，4-4为电压表，4-5为计算机。
具体实施方式
[0015]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。
[0016]针对现有技术中极低温度下半球发射率测试方法与装置的不足，本专利技术中运用稳态法直接测定低温下样品的半球发射率。半球向发射率测量需在真空冷环境中进行，以保证样品与环境之间的换热方式是辐射，其它热交换影响很小甚至没有。平板状样品置于真空冷环境中，它向周围环境辐射热量，也吸收来自环境的热辐射。为了提高测量精度，减少样品吸收环境的热辐射，需使环境温度远远低于样品温度，同时为了弥补样品辐射热量，将样品温度稳定于一个特定值，则需对样品加热。当样品与环境之间达到热平衡，可根据热平衡方程计算样品在该温度下的半球发射率。因此，当样品与环境之间实现热平衡时，可得热平衡关系式为：Q
加热
＝Q
样品
+Q
气体
+Q
导线
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)。
[0017]式中，Q
加热
＝V
加热
I
加热
，为通过加热片(即后述样品加热器3-2)施加到样品上的加热功率，其中V
加热
为样品加热器的电压，I
加热
为样品加热器的电流，为样本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种极低温度下材料半球发射率测试装置，其特征在于，包括：用于为样品提供低温真空环境的热平衡绝热腔；用于对所述热平衡绝热腔抽真空并降温的真空制冷系统；用于控制所述样品的温度的样品稳态控制系统；和用于测试过程中获取样品温度、热平衡绝热腔的内腔温度、样品加热器电压值和样品加热器电流值的数据采集系统；所述热平衡绝热腔包括腔体、回温加热器和用于监测腔体温度的多个腔体温度传感器，所述腔体包括真空外腔和绝热内腔，所述样品容纳于所述绝热内腔中，所述回温加热器设于所述绝热内腔中，所述多个腔体温度传感器设于所述绝热内腔的内表面；所述真空制冷系统包括低温制冷部分和无油抽真空部分，所述低温制冷部分与所述绝热内腔相连通且包括依次相连的氦气闭循环低温冷头、压缩机和冷水机，所述无油抽真空部分分别与所述真空外腔和绝热内腔相连通且包括依次相连的分子泵和干泵；所述样品稳态控制系统包括用于加热所述样品的样品加热器以及用于测量所述样品的温度的样品温度传感器；所述数据采集系统包括与所述腔体温度传感器和回温加热器相连的温度控制器、与所述腔体温度传感器和样品温度传感器相连的温度监控器、与所述样品加热器相连的电流源表、与所述样品加热器相连的电压表以及与所述温度控制器、温度监控器、电流源表和电压表相连的计算机。2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述真空外腔与绝热内腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：章俞之，吴岭南，马佳玉，宋力昕，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：