本发明专利技术涉及测量材料热物理参数技术领域，特别涉及一种非金属材料半球向全发射率的测量方法和装置，该测量方法包括步骤：在真空环境中，选用多段组合的圆柱套筒状待测样品的中间段中心区域作为目标分析区域；将通电后的加热模块贯穿嵌入待测样品的内部；通过测量待测样品中间段和目标分析区域的几何尺寸以及在热平衡状态下，真空环境内部温度、待测样品中间段和目标分析区域的表面温度和热量功率，计算出半球向全发射率。本发明专利技术采用将加热模块内嵌于圆柱套筒状待测样品内部的加热方法，满足了高温下对非金属材料进行半球向全发射率测量的需求，并且具有测量装置结构简单、测量数据精度高等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及测量材料热物理参数
，特别涉及一种非金属材料半球向全发射率的测量方法和装置。
技术介绍
半球向全发射率是材料的重要热物性参数之一，表征了材料表面热辐射能力，是研究辐射热传递与热效率分析的重要基础物性数据。在航空航天、能源动力等高新
，新型耐高温非金属材料被广泛使用，然而作为表征材料性能的热物性数据，非金属材料的高温半球向发射率十分缺乏。目前测量方法主要可分为卡计法、反射率法、能量比较法等。其实验原理是通过测量样品在热平衡状态下的换热量和表面温度，计算出材料表面的半球向全发射率。其中，卡计法由于所用的设备结构简单，操作方便，具有较高的准确性，因此最为广泛的应用。采用卡计法的主要相关工作如下：第一种方案为在真空室中利用加热片对材料底面进行加热，通过测量电流、电压以及材料上表面温度，计算材料的全波长发射率(The Institute of Physics J.Phys.E：Sci.Instrum.，13：873-876，1980；太阳能学报，3(2)：202-211，1982)。第二种方案为将两片样品薄片紧贴在加热片的两面，利用加热片的导线将其悬挂在真空室中，通以电流加热，通过测量电功率以及材料表面温度，求解半球向全发射率(Journal of heat transfer，128：302-306，2006；低温物理学报，30(3)：266-269，2008)。上述两种典型测量方法存在一些局限性：1)样品表面加热后的温度非均匀分布，给发射率的计算带来误差；2)热平衡时辐射换热量采用加热的电功率值，未对测量值的可靠性给予详细分析；3)样品测试温度较低(＜400℃)，未见有能满足高温(＞1000℃)测量的说明与实际测试。另外，现有技术还有采用脉冲电流对样品进行瞬间加热至高温(1200～2000℃)，通过测量电功率计算出平衡时的辐射换热量，利用激光光学测温技术得到样品表面温度，进而计算样品半球向全发射率(Meas.Sci.Technol.12(2001)2095-2102.)。尽管这种方法能满足高温下的测量需求，结果也比较精确，但是实验系统复杂昂贵，而且所测材料仅限于导体，不能用来测量非导体的非金属材料。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是提供一种简单、可靠的非金属材料高温半球向全发射率的测量方法和装置，克服现有的半球向全发射率测量方法不能适用于高温非金属材料，装置复杂以及测试精度不高等缺点。-->(二)技术方案为了解决上述问题，本专利技术一方面提供一种非金属材料半球向全发射率的测量方法，包括步骤：S1，在真空环境中，选定多段组合的圆柱套筒状待测样品的中间段的中心区域作为目标分析区域；S2，将通电后的加热模块贯穿嵌入所述待测样品的内部；S3，测量待测样品中间段和目标分析区域的几何尺寸以及在热平衡状态下，真空环境内部温度、所述待测样品目标分析区域的表面温度和热量功率，计算出半球向全发射率。另一方面，本专利技术提供一种非金属材料半球向全发射率的测量装置，包括：选定多段组合的圆柱套筒状待测样品中间段的中心区域作为目标分析区域；真空模块，包括真空室和真空泵，用于真空环境；加热模块，通过将加热模块贯穿嵌入所述待测样品的内部，加热所述待测样品；测量模块，测量待测样品中间段和目标分析区域的几何尺寸以及在热平衡状态下，真空环境内部温度、所述待测样品目标分析区域的表面温度和热量功率，计算出半球向全发射率。(三)有益效果本专利技术提供的非金属材料半球向全发射率的测量方法和装置，与现有技术相比，具有如下突出优点：(1)加热模块采用高熔点金属制成的圆柱形的加热棒，非金属待测样品采用多段圆柱套筒结构设计，加热棒内嵌于待测样品中，为非金属样品提供均匀稳定的热源，适用于非导体材料的加热，辐射换热量的计算简单、准确，同时可以使测试样品的温度范围达到20～1600℃，优于现有的实验装置，满足了高温半球向全发射率测量的需求。(2)非金属待测样品采用多段组合的圆柱套筒结构设计，选择待测样品中间段的中心区域作为测量目标分析区域，其温度分布具有较好的均匀性，解决了测试样品温度非均匀分布给发射率计算带来的影响。同时，采用接触式和非接触测温两种技术在线测量样品表面的温度分布，解决了20～1600℃宽温度范围的有效测量，从而有效地保证了温度测量数据的准确性。附图说明图1是本专利技术实施例非金属材料半球向全发射率的测量方法流程示意图；图2是本专利技术实施例非金属材料半球向全发射率的测量装置结构示意图。图中：1、真空室；2、真空泵；3、加热棒；4、窗口；5、冷却罩；6、支架；7、夹子；8、待测样品；9、电源接线端；10-13、热电偶；14、电压测量端。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。参考图1，本专利技术实施例非金属材料半球向全发射率的测量方法具体包括如下步-->骤：步骤1，在真空环境中，选定多段组合的圆柱套筒状待测样品中间段的中心区域作为目标分析区域。具体为：真空环境内涂以高发射率涂料，用于提供一个近似黑体的环境，真空环境中的真空度为小于1×10-3Pa。待测样品采用多段组合的圆柱套筒状非金属样品，将待测样品平均分为三段，分别为待测样品上段，待测样品中间段，待测样品下段。在本专利技术实施例中，待测样品为三段圆柱套筒状样品的组合体。本专利技术实施例选定待测样品的中间段中心区域作为测量的目标分析区域。选定中心区域的具体操作为：先将其中一个热电偶安装在待测样品中间段的正中央，然后两个热电偶等距离安装在处于中央位置的热电偶的两边，远离中央位置处热电偶的间距根据待测样品的实际长度和待测样品导热性能有关。若该待测样品的导热系数较大时，则该间距可以先设置得小一些，反之，该间距可以先设置得大一些。观察三个热电偶测得的温度，若该三个电热偶测得的温度存在较大差异时，调整处于两边热电偶的放置位置。直到该三个热电偶测得的温度基本达到一致时，两边热电偶的放置点被确定下来。此时位于两侧的热电偶之间距离的区域，选定为待测样品中间段的中心区域。该中心区域保证了温度传导的均匀性，确保位于中心区域上的三个热电偶测得的温度均匀，并且误差较小。将待测样品选用多段的圆柱套筒状，可以有效地减少待测样品的温度梯度，得到温度均匀分布的目标分析区域，有利于测量的准确性。步骤2，将通电后的加热模块贯穿嵌入待测样品的内部。具体为：加热模块采用高熔点金属制成的圆柱形加热棒，将加热棒贯穿嵌入待测样品中，为待测样品提供受热均匀稳定的热源。为了使待测样品与加热棒充分接触，该加热棒的外径与待测样品的内径相同，长度与该待测样品的长度相近。通过热传导效应，加热棒可以使待测样品加热到所需温度。本技术实施例中，该加热棒的工作温度范围为100-2000℃，该待测样品的温度范围为20-1600℃。步骤3，通过测量待测样品中间段和目标分析区域的几何尺寸以及在热平衡状态下，真空环境内部温度、待测样品目标分析区域的表面温度和热量功率，计算出半球向全发射率。具体为：采用将一个热电偶安装在真空环境中，用于测量真空环境内部温度T2。通过安装在待测样品中心区域的三个热电偶直接测量出目标分析区域的表面温度。或者，在真空环境中采用辐射本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种非金属材料半球向全发射率的测量方法，其特征在于，包括步骤：Ｓ１，在真空环境中，选定多段组合的圆柱套筒状待测样品的中间段的中心区域作为目标分析区域；Ｓ２，将通电后的加热模块贯穿嵌入所述待测样品的内部；Ｓ３，通过测量所述待测样品中间段和目标分析区域的几何尺寸以及在热平衡状态下，真空环境内部温度、待测样品目标分析区域的表面温度和热量功率，计算出半球向全发射率。
【技术特征摘要】
1.一种非金属材料半球向全发射率的测量方法，其特征在于，包括步骤：S1，在真空环境中，选定多段组合的圆柱套筒状待测样品的中间段的中心区域作为目标分析区域；S2，将通电后的加热模块贯穿嵌入所述待测样品的内部；S3，通过测量所述待测样品中间段和目标分析区域的几何尺寸以及在热平衡状态下，真空环境内部温度、待测样品目标分析区域的表面温度和热量功率，计算出半球向全发射率。2.如权利要求1所述的非金属材料半球向全发射率的测量方法，其特征在于，在所述步骤S1中，待等距离放置在待测样品中间段上的三个热电偶所测得的温度保持一致时，位于两侧的两个热电偶之间的距离区域作为待测样品中间段的中心区域。3.如权利要求1所述的非金属材料半球向全发射率的测量方法，其特征在于，所述真空环境中的真空度小于1×10-3Pa。4.如权利要求1所述的非金属材料半球向全发射率的测量方法，其特征在于，所述加热模块为圆柱形，所述待测样品的内径与所述加热模块的外径相等。5.如权利要求1所述的非金属材料半球向全发射率的测量方法，其特征在于，在所述步骤S3中，通过安装在待测样品中间段上的三个热电偶，直接测量目标分析区域的表面温度；或者通过辐射测温仪器测量目标分析区域的表面温度。6.如权利要求1所述的非金属材料半球向全发射率的测量方法，其特征在于，所述通电后加热模块的工作温度范围为100-2000℃。7.如权利要求1所述的非金属材料半球向全发射率的测量方法，其特征在于，在热平衡状态下，半球向全发射率的计算公式为：&eps...
【专利技术属性】
技术研发人员：符泰然，谈鹏，孟迎潮，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11
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