一种可高精度测量小热导率材料的界面接触热阻的装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种可高精度测量小热导率材料的界面接触热阻的装置，属于接触热阻测试技术领域。该装置由隔离罩、保温箱体、试件部分、加热系统、冷却系统和加压系统共六个部分组成。隔离罩内放置测试装置主体；保温箱体由保温底座、保温底座盖和保温耳室三部分组成；试件部分主要由热端试件和冷端试件组成，冷端试件包裹在热端试件上；加热系统主体为硅碳棒，硅碳棒安装在保温底座盖上的贯通卡槽内；冷却系统位于隔离罩内的部分为置于保温箱体底部的矩形冷却通道；加压系统由加压部分和控制部分组成，加压部分位于隔离罩内。本发明专利技术的接触热阻测量装置采用空间中热源各向同性传热思想，实现了在选定测温区域试件内部热流传导沿半圆柱体试件径向方向均呈一维传递，无一维以外的热损，实验稳定性好，可高精度的测量小热导率材料的界面接触热阻。小热导率材料的界面接触热阻。小热导率材料的界面接触热阻。

【技术实现步骤摘要】
一种可高精度测量小热导率材料的界面接触热阻的装置


[0001]本专利技术属于热阻测试
，具体涉及一种可高精度测量小热导率材料的界面接触热阻的装置。

技术介绍

[0002]随着时代的进步，界面接触热阻无论是在科学研究中，还是工程实用中都越来越得到重视。对于能源动力、热核反应和航空航天等领域，界面接触热阻参数的精确确定对装置的安全可靠设计尤为重要。以航空航天领域的高速飞行器为例，由于气动加热作用，飞行器外表面温度将超过1000℃，为保障飞行器安全正常的工作，需在飞行器外表面敷设热防护系统。热防护系统在设计过程中必须要考虑热防护材料之间的界面接触热阻，界面接触热阻是一个受温度、压力、气体环境、表面粗糙度、材料热导率等众多因素耦合影响的非线性问题。现有的接触热阻测量装置能很好的适用于常规的金属材料间的接触热阻的测量，常规的金属材料的热导率远大于测量装置所采用的保温材料的热导率，然而热防护系统一般均采用热导率很小的材料作为热防护材料，热防护材料的热导率与测量装置所采用的保温材料的热导率相差无几，这可能使得现有的接触热阻测量装置不适用于测量热防护材料的接触热阻。由于缺少能够测量热导率很小的材料的接触热阻的装置，只能采用常规的金属材料外推的接触热阻数据来预估热防护系统材料间的界面接触热阻，这导致设计出来的热防护系统的理论热防护能力和实际热防护能力存在较大偏差,直接关乎到热防护系统设计的合理性、有效性以及经济性。
[0003]界面接触热阻R等于ΔT比q，ΔT是接触界面的温差，q是接触界面处的一维热流量。显然，准确测得ΔT和q是测量界面接触热阻R以及提高测量R精度的关键。而准确测得试件接触界面的ΔT和q的关键在于在试件接触界面构建稳定的一维热流量。一般都会采用在试件周围布置良好的保温系统和在接触界面附近设置补偿加热系统的方法来保证热流在试件上的传导沿垂直接触界面的方向呈一维传递，这种方法对于本身热导率相对保温材料热导率相差几十倍以上的试件而言，可很好的降低热流在试件上传导过程中的一维以外的热损，使得一维以外的热损对试件接触热阻测量精度的影响可忽略不计。然而，对于测量本身热导率相对保温材料热导率相差不大的试件的接触热阻，甚至是测量以保温材料作为试件的试件的接触热阻时，继续采用上述方法难以保障热流在试件上的传导呈一维传递，只会由于热流在试件内的传导量和试件周围的热损量相差无几，使得流过接触界面间的热流不是一维传导状态，导致ΔT不能被准确测得和q无法被测得，进而导致无法测得小热导率试件的接触热阻。显然，上述方法不适用于测量小热导率试件的接触热阻。
[0004]专利202110348478.3、202011230625.9、202010965520.1、201910243647.X、201811522277.5、201510954538.0所公开的接触热阻测量装置，为使加热系统提供的热流在试件内能很好地沿试件轴向方向一维传导，将试件放置在加压系统的中轴线上，通过加压系统的加压杆将载荷竖直加载到试件上，并在试件周围布设保温系统和补偿加热系统。显然，这些测量装置可以很好的适用于常规的金属材料间的接触热阻的测量，但难以准确
的测得小热导率材料(保温材料)间的接触热阻。且这些装置采用的加压系统只具备竖直加压的能力，加压方向单一且固定。此外，论文《接触热阻实验与数值模拟》、《界面接触热阻影响因素的实验研究》、《界面接触热阻实验分析及参数优化设计》、《温度对接触热阻的影响》所公开的几种接触热阻测量装置与上述专利所公开的装置类似，均不具有测量小热导率材料的接触热阻的能力。综上，现有的接触热阻测量装置不适用于测量小热导率试件的接触热阻，有必要设计一种新型的可测量小热导率试件的接触热阻的装置。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供了一种可高精度测量小热导率材料的界面接触热阻的装置。
[0006]本专利技术的目的通过如下技术方案来实现：
[0007]一种可高精度测量小热导率材料的界面接触热阻的装置，包括隔离罩、保温箱体、通气口、台面板、试件部分、加热系统、冷却系统和加压系统；
[0008]所述隔离罩内放置测试装置主体，隔离罩的上、下对角位置各设1个通气口，通过通气口对隔离罩抽真空或置换实验气体环境，进行不同气体环境下的实验；
[0009]所述台面板安装在隔离罩内靠近底部；
[0010]所述保温箱体位于台面板上方，包括保温底座、保温底座盖和保温耳室；所述保温底座与保温底座盖构成矩形密闭承压金属盒，金属盒内设有支撑保温底座盖受载荷的承压柱，金属盒内其余空间填满气凝胶隔热毡，试件部分位于保温底座盖上，保温耳室为两个半圆形金属丝架，位于温底座盖上；
[0011]所述试件部分包括热端试件和冷端试件；所述热端试件为圆心所在轴线镂空出一个小半圆柱体卡槽后的半圆柱实体；冷端试件为半圆柱壳体，冷端试件与热端试件的长度相等，冷端试件内径与热端试件的外径相等，冷端试件包裹在热端试件上，两个保温耳室位于试件部分两端的半圆端面处；
[0012]所述加热系统包括硅碳棒；所述硅碳棒安装在保温底座盖上；
[0013]所述冷却系统包括矩形冷却通道；冷却系统部分安装在隔离罩外部，位于隔离罩内的部分为矩形冷却通道，并位于保温箱体和台面板之间；
[0014]所述加压系统包括控制部分和多根绝热加压杆组成的加压部分，加压部分位于隔离罩内，与冷端试件的外曲面连接。
[0015]进一步地，所述保温底座盖上设有内置硅碳棒的贯通卡槽和试件定位卡槽；保温底座盖将绝热加压杆加载到试件部分上的载荷传递给矩形冷却通道和台面板，对硅碳棒起到保护作用，使硅碳棒在任何实验载荷工况下都无受压破损的风险；贯通卡槽的轴线与保温底座盖上表面持平，卡槽的内径等于加热所用硅碳棒的直径；定位卡槽可使试件放到保温底座盖上时试件的轴线与贯通卡槽的轴线重合；
[0016]所述保温耳室内径与冷端试件外径相等，保温耳室与试件部分的端面之间填充多层气凝胶隔热毡，两个保温耳室之间由多根金属丝连接，紧固连接金属丝使隔热毡紧贴试件部分半圆端面。
[0017]进一步地，所述试件部分还包括热电偶和温度采集系统；冷端试件的内曲面与热端试件的外曲面的结合面为所需测试接触热阻的接触界面；热端试件的材料热导率和冷端
试件的材料热导率可相同，也可互不相同；热端试件的外曲面表面粗糙度和冷端试件的内曲面表面粗糙度可相同，也可互不相同；热电偶一端连接在冷端试件和热端试件上，另一端与温度采集系统连接；热电偶测点合理布置在接触界面附近试件的不同轴向深度、不同径向深度处上；根据试件同一径向深度不同轴向深度处测得的温度，可选定热流沿试件的径向方向呈一维传递的测温区域，该区域内各测点的最大温差不超过1℃；选定的测温区域所对应的试件接合面面积即为测量接触热阻所需的接触界面面积；根据在选定的测温区域测得试件的不同径向深度处的温度，由一维导热法可求得热端试件和冷端试件间的接触热阻。
[0018]进一步地，所述加热系统还包括温控箱；硅碳棒安装在保温底座盖上的贯通卡槽内；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可高精度测量小热导率材料的界面接触热阻的装置，其特征在于：包括隔离罩(1)、保温箱体(2)、通气口(101)、台面板(607)、试件部分、加热系统、冷却系统和加压系统；所述隔离罩(1)内放置测试装置主体，隔离罩(1)的上、下对角位置各设1个通气口(101)，通过通气口(101)对隔离罩(1)抽真空或置换实验气体环境，进行不同气体环境下的实验；所述台面板(607)安装在隔离罩(1)内靠近底部；所述保温箱体(2)位于台面板(607)上方，包括保温底座(201)、保温底座盖(202)和保温耳室(203)；所述保温底座(201)与保温底座盖(202)构成矩形密闭承压金属盒，金属盒内设有支撑保温底座盖(202)受载荷的承压柱，金属盒内其余空间填满气凝胶隔热毡，试件部分位于保温底座盖(202)上，保温耳室(203)为两个半圆形金属丝架，位于温底座盖(202)上；所述试件部分包括热端试件(301)和冷端试件(302)；所述热端试件(301)为圆心所在轴线镂空出一个小半圆柱体卡槽后的半圆柱实体；冷端试件(302)为半圆柱壳体，冷端试件(302)与热端试件(301)的长度相等，冷端试件(302)内径与热端试件(301)的外径相等，冷端试件(302)包裹在热端试件(301)上，两个保温耳室(203)位于试件部分两端的半圆端面处；所述加热系统包括硅碳棒(401)；所述硅碳棒(401)安装在保温底座盖(202)上；所述冷却系统包括矩形冷却通道(505)；冷却系统部分安装在隔离罩(1)外部，位于隔离罩(1)内的部分为矩形冷却通道(505)，并位于保温箱体(2)和台面板(607)之间；所述加压系统包括控制部分和多根绝热加压杆(601)组成的加压部分，加压部分位于隔离罩(1)内，与冷端试件(302)的外曲面连接。2.根据权利要求1所述的一种可高精度测量小热导率材料的界面接触热阻的装置，其特征在于：所述保温底座盖(202)上设有内置硅碳棒(401)的贯通卡槽(204)和试件定位卡槽(205)；保温底座盖(202)将绝热加压杆(601)加载到试件部分上的载荷传递给矩形冷却通道(501)和台面板(607)，对硅碳棒(401)起到保护作用，使硅碳棒(401)在任何实验载荷工况下都无受压破损的风险；贯通卡槽(204)的轴线与保温底座盖(202)上表面持平，卡槽的内径等于加热所用硅碳棒(401)的直径；定位卡槽(205)可使试件放到保温底座盖(202)上时试件的轴线与贯通卡槽(204)的轴线重合；所述保温耳室(203)内径与冷端试件(302)外径相等，保温耳室(203)与试件部分的端面之间填充多层气凝胶隔热毡，两个保温耳室(203)之间由多根金属丝连接，紧固连接金属丝使隔热毡紧贴试件部分半圆端面。3.根据权利要求1所述的一种可高精度测量小热导率材料的界面接触热阻的装置，其特征在于：所述试件部分还包括热电偶(303)和温度采集系统(304)；冷端试件(302)的内曲面与热端试件(301)的外曲面的结合面为所需测试接触热阻的接触界面；热端试件(301)的材料热导率和冷端试件(302)的材料热导率可相同，也可互不相同；热端试件(301)的外曲面表面粗糙度和冷端试件(302)的内曲面表面粗糙度可相同，也可互不相同；热电偶(303)一端连接在冷端试件(302)和热端试件(301)上，另一端与温度采集系统(304)连接；热电偶(303)测点合理布置在接触界面附近试件的不同轴向深度、不同径向深度处上；根据试件同一径向深度不同轴向深度处测得的温度，可选定热流沿试件的径向方向呈一维传递的测温
区域，该区域内各测点的最大温差不超过1℃；选定的测温区域所对应的试件接合面面积即为测量接触热阻所需的接触界面面积；根据在选定的测温区域测得试件的不同径向深度处的温度，由一维导热法可求得热端试件(301)和冷端试件(302)间的接触热阻。4.根据权利要求1所述的一种可高精度测量小热导率材料的界面接触热阻的装置，其特征在于：所述加热系...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟兆明，曹安，严睿豪，黄宇森，李文哲，姜和睿，孙中宁，丁铭，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：