基于保护平面热源法的隔热材料热物性测量技术研究

论文摘要

本课题来源于航天材料及工艺研究所“防隔热材料高温热物性测量技术”研究课题;目的是开发一种适合于防隔热材料的高温高精度热物性测量方法、研制并建立一套防隔热材料高温热物性测量装置、完善防隔热材料高温热物性测量标准以及建立我国第一个防隔热材料高温热物性数据库,从而达到服务我国防隔热材料研制、服务热防护系统设计以及服务国防及航天发展的目标。本论文紧密围绕国防及航空、航天领域对防隔热材料高温热物性数据的巨大需求,通过调研大量热物性测量方法研究文献,确定了基于瞬态接触热源法测量原理来实现防隔热材料的高温热物性测量;通过对该类测量方法文献资料的综述,总结归纳了目前存在的不足及实现热物性高温高精度测量所面临的主要问题;而后针对这些不足及问题,从理论、方法及关键技术等多层面、多角度地进行了深入的研究,并首次提出了一种能够综合考虑探头热容、时间延迟以及接触热阻等关键性影响因素的保护平面热源法;通过搭建基于该方法的隔热材料高温热物性测量装置,进行了一系列中常温测量实验研究、标定实验研究以及高温段测量的预先试验研究;通过实验研究,了解并考察了该方法所涉及的关键技术,从而为进一步实现高温高精度热物性测量提供了理论基础、经验借鉴及设备支撑。具体来说,所完成的主要创新性研究工作有:1.针对目前防隔热材料高温热物性测量时测温上限不足、没有充分考虑探头热容、时间延迟以及接触热阻等重要影响因素对热物性测量准确度的影响以及实际应用于中高温测量时准确度较差等方面的不足及问题,着重对接触热阻的产生机理及测量原理进行了较为深入的研究;通过设计特定的传热过程,首次将热物性测量与接触热阻的同步估计结合在了一起,提出了一种适合于隔热材料高温段热物性测试的保护平面热源法。通过对该传热过程进行理论建模,得到了能够综合考虑探头热容、时间延迟以及接触热阻影响的探头温升响应模型;为进一步考察接触热阻对热物性测量的影响规律、进一步提高热物性测量准确度提供了可能,同时也进一步完善了瞬态接触热源法的测量理论。2.研制了一套基于保护平面热源法的隔热材料高温热物性测量装置。装置中有很多巧妙的结构设计,其核心部件高温探头,既是薄片热源、又是高精度温度传感器、还具有保护加热功能,能够确保小尺寸试样测量时依然满足一维传热的假设条件;并能够胜任常温至高温(1500℃)的热物性测量,大大改善了目前测量温度上限不足的现状;探头及试样夹持器创新的结构设计能够减小并弥补试样边界的散热损失,从而严格保证了所需要的绝热边界条件;所研制的高真空管式黑体加热炉,能够提供稳定的高温测量条件、有效防止试样侧边界的对流热损失以及高温测试时的试样氧化问题,还能够满足不同压力下的热物性测量;经测试,该测量装置具有很好的稳定性和复现性。论文利用该装置实现了对VespelTM SP1标准材料多热物性及接触热阻的同时测量,测量结果通过与标准数据的比对,验证了保护平面热源法的正确性及准确度、还考察了所采用的多参数辨识方法、处理算法的实际使用性能;中常温范围内,热导率及热扩散率相对误差均小于6%,高温测量最大相对误差不超过10%;通过试验还发现了接触热阻对热物性测量所产生的影响及规律,保护平面热源法由于能够对接触热阻信息进行同步估计,因而对热导率及热扩散率在不同测量条件下的测量稳定性好,体现了保护平面热源法理论模型的完善;最后,分析了该装置的测量不确定度,确保了量值传递的准确性和可比性。3.基于所研制的高温隔热材料热物性测量装置和VespelTM SP1国际标准化材料完成了保护平面热源法应用于0.1～0.5W/mK热导率范围内的热物性测量准确度和实验参数的标定实验研究;了解了测试过程中试验参数的不同选择对热物性测量准确度的实际影响规律,提出了利用保护平面热源法进行热物性测试时的试验参数选取方法和依据,揭示了接触热阻对热物性测量所产生的影响及规律;另外,通过标定实验研究,还更进一步考察了保护平面热源法及其测试装置的测量准确度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景、目的、意义
• 1.2 热物性测量方法的比较、分析
• 1.3 瞬态接触热源法的研究现状
• 1.3.1 隔热材料高温热物性测量
• 1.3.2 存在的不足及问题
• 1.4 接触热阻的研究现状
• 1.4.1 接触热阻的影响因素
• 1.4.2 接触热阻的表征理论
• 1.4.3 接触热阻的测量方法
• 1.5 课题研究的主要内容
• 第2章 热物性及接触热阻的瞬态测量理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 热物性瞬态接触热源法测量原理研究
• 2.2.1 热线法THW
• 2.2.2 热探针法THP
• 2.2.3 热带法THS
• 2.2.4 阶跃（脉冲）平面热源法SPS/PPS
• 2.2.5 常功率平面热源法CPS
• 2.2.6 瞬态平面热源法TPS
• 2.3 接触热阻的瞬态测量方法研究
• 2.3.1 接触热阻产生机理及表征方法
• 2.3.2 接触热阻瞬态测量理论及方法
• 2.4 基于热传导反问题的热物性测量方法研究
• 2.4.1 热传导反问题的研究方法
• 2.4.2 热传导反问题的特点和难点
• 2.5 本章小结
• 第3章 保护平面热源法建模及仿真
• 3.1 引言
• 3.2 保护平面热源法测量原理及模型推导
• 3.3 保护平面热源法使用条件及模型修正
• 3.3.1 保护平面热源法的使用条件
• 3.3.2 保护平面热源法的模型修正
• 3.4 保护平面热源法多参数非线性回归研究
• 3.4.1 多参数辨识的灵敏度分析
• 3.4.2 .多参数非线性回归分析方法
• 3.4.3 残差估计
• 3.5 保护平面热源法仿真实验研究
• 3.6 本章小结
• 第4章 保护平面热源法测量装置的研制
• 4.1 引言
• 4.2 高真空管式黑体炉的研制
• 4.2.1 管式黑体加热炉
• 4.2.2 温控系统设计
• 4.2.3 真空系统和真空测量装置
• 4.2.4 水冷循环系统
• 4.3 耐高温试样夹持器
• 4.4 耐高温测温传感器
• 4.4.1 耐高温保护探头
• 4.4.2 桥路测温系统
• 4.5 数据采集、控制及处理系统
• 4.6 本章小结
• 第5章 实验研究及不确定度分析
• 5.1 标准材料热物性测量实验
• 5.1.1 中常温测量实验
• 5.1.2 高温测量实验预研
• 5.2 测量系统不确定度分析
• 5.3 保护平面热源法实验参数的标定实验研究
• 5.3.1 保护平面热源法标定实验
• 5.3.2 Hot disk 热常数分析仪标定实验
• 5.3.3 保护平面热源法的性能比较和分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历