一种适用于大功率激光加热的超高温样品台

摘要

本发明涉及一种适用于大功率激光加热的超高温样品台，包括垫片、主体支架和定位隔热托盘。其中，垫片和主体支架采用分体式结构，实现了超高温材料的稳定承载，保证了样品台在多次、长时间加热条件下的结构稳定性，无需多次试验频繁更换，大大降低了使用成本，增加了样品台使用的稳定性。

权利要求

1.一种适用于大功率激光加热的超高温样品台，其特征在于：所述样品台包括垫片、主体支架和定位隔热托盘；

所述垫片为分体式结构，由至少两片相同尺寸和形状的圆弧片组成，所述圆弧片拼接成为一个圆弧片之间留有间隙的完整的圆环形状；

所述主体支架为分体式结构，由至少两个相同尺寸和形状的变截面锥体组成，所述变截面锥体拼接成一个变截面锥体之间留有间隙的完整的圆环结构；

所述定位隔热托盘为圆环型一体结构，并具有用于主体支架定位的内嵌凹槽；

其中，圆弧片组合被放置在主体支架的上方。

2.如权利要求1所述的样品台，其特征在于：所述垫片、主体支架和定位隔热托盘是由ZrO2材料模压制备。

3.如权利要求1所述的样品台，其特征在于：所述垫片由4片1/4圆弧片组成。

4.如权利要求1所述的样品台，其特征在于：所述主体支架由4个变截面锥体组成。

5.如权利要求1所述的样品台，其特征在于：所述主体支架由30°弧形角的变截面锥体组成。

6.如权利要求1所述的样品台，其特征在于：所述变截面锥体间的间隙为拼接后自然形成的接触缝隙。

7.如权利要求1所述的样品台，其特征在于：所述圆弧片间的间隙是指拼接组合后自然形成的接触缝隙。

8.如权利要求1所述的样品台，其特征在于：所述主体支架嵌入所述定位隔热托盘内嵌凹槽后留有0.5至1mm接触间隙。

9.一种如权利要求1所述的样品台的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一，将变截面锥体嵌入定位隔热托盘中，使得变截面锥体能够在定位隔热托盘的定位作用下组成圆锥结构；

步骤二，将圆弧片组合放置在主体支架的上方，调整圆弧片位置，使得圆弧片能够组成圆环形状的垫片，保证垫片中心孔与形成的圆锥结构顶部中心孔圆心在同一条轴线上；

步骤三，将被加热的超高温材料试样放置在垫片中心；

步骤四，开启激光器对试样进行加热。

说明书

一种适用于大功率激光加热的超高温样品台

技术领域

[0001] 本发明涉及一种激光加热样品台,尤其是一种适用于大功率激光加热的超高温样品台。

背景技术

[0002] 以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有技术。

[0003] 航空航天技术的不断发展使得高超声速飞行器成为现阶段各国发展的重点。未来的高超声速飞行器要求建立以非烧蚀或者低烧蚀防热结构和材料为主的热防护系统，这对高温恶劣环境防/隔热材料的耐温极限、烧蚀、热冲击等使用性能提出了苛刻的要求。由于材料在线服役测试的成本非常高，因此大量的基础研究工作必定在地面试验中展开，这就需要提供满足高温测试的实验条件。国际上针对石墨、超高温陶瓷等高温材料研究非常广泛，对其氧化行为、催化等行为都进行了大量的实验研究，但限于试验条件的约束，这些研究的共同特点都是材料温度一般都在1800℃以下。目前针对材料在1800℃以上，达到或者甚至超过2200℃的氧化、催化等性能报道，特别是可控环境条件下材料性能的研究报道极少。热防护材料在实际服役环境下极有可能达到甚至超过2200℃，在如此高温条件下材料的氧化、催化等特性如何，直接影响材料在服役过程中的承受能力和重复使用性能，因此对2200℃的超高温材料的研究非常有意义。

[0004] 常规加热方式难以在参数精确可控条件下达到2200℃高温，而采用半导体激光器可对试样进行精确超高温加热。由于试验过程中测试件需要加热到2200℃，试样必须置于一个由高熔点、物理化学性质稳定且不与环境发生反应的试样样品台上，由于试样温度极高，试样置于样品台上后，通过接触面热传导和辐射的方式对试样样品台会产生严重的加热效果，导致样品台内部存在很大的热应力，极易使样品台在试验过程中由于内部存在很大的热应力而碎裂，无法对试样起到有效的支撑，甚至可能对试验设备和实验人员造成危险。

[0005] 本发明正是基于上述问题，设计了一种适用于激光加热的超高温样品台，实现了超高温材料的稳定承载，保证了样品台在多次、长时间加热条件下的结构稳定性，实现超高温样品台的多次使用性。

发明内容

[0006] 本发明设计了一种适用于激光加热的超高温样品台，实现了超高温材料的稳定承载，保证了样品台在多次、长时间加热条件下的结构稳定性，实现超高温样品台的多次使用性。

[0007] 本发明的实施例提供一种适用于大功率激光加热的超高温样品台。

[0008] 本发明的实施例还提供一种适用于大功率激光加热的超高温样品台的使用方法。

[0009] 为达到上述目的，本发明实施例提供一种适用于大功率激光加热的超高温样品台，所述样品台包括垫片、主体支架和定位隔热托盘；

[0010] 所述垫片为分体式结构，由至少两片相同尺寸和形状的圆弧片组成，所述圆弧片拼接成为一个圆弧片之间留有间隙的完整的圆环形状；

[0011] 所述主体支架为分体式结构，由至少两个相同尺寸和形状的变截面锥体组成，所述变截面锥体拼接成一个变截面锥体之间留有间隙的完整的圆环结构；

[0012] 所述定位隔热托盘为圆环型一体结构，并具有用于主体支架定位的内嵌凹槽。

[0013] 较佳的，所述垫片、主体支架和定位隔热托盘是由ZrO2材料模压制备。ZrO2材料的化学性质稳定，不易与环境发生反应；具有高熔点、高电阻率和低的热膨胀系数等优点，是理想的耐高温材料，最适合作为高温样品台的候选材料。

[0014] 较佳的，所述垫片由4片1/4圆弧片组成。

[0015] 较佳的，所述变截面锥体为30°至60°弧形角。

[0016] 较佳的，所述主体支架由4个变截面锥体组成。

[0017] 较佳的，所述主体支架由30°弧形角的变截面锥体组成。

[0018] 较佳的，所述变截面锥体间的间隙为拼接后自然形成的接触缝隙。

[0019] 较佳的，所述圆弧片间的间隙是指拼接组合后自然形成的接触缝隙。

[0020] 较佳的，所述主体支架嵌入所述定位隔热托盘内嵌凹槽后留有0.5至1mm接触间隙。

[0021] 为达到上述目的，本发明实施例提供一种适用于大功率激光加热的超高温样品台的使用方法，包括如下步骤：

[0022] 步骤一，将变截面锥体嵌入定位隔热托盘中，使得变截面锥体能够在定位隔热托盘的定位作用下组成圆锥结构；

[0023] 步骤二，将圆弧片组合放置在主体支架的上方，调整圆弧片位置，使得圆弧片能够组成圆环形状的垫片，保证垫片中心孔与形成的圆锥结构顶部中心孔圆心在同一条轴线上；

[0024] 步骤三，将被加热的超高温材料试样放置在垫片中心；

[0025] 步骤四，开启激光器对试样进行加热。

[0026] 本发明的目的在于提供一种新型的分体式高温试样样品台，满足2200℃超高温环境下圆片状试样的多次长时稳定承载。可实现大于1800℃范围样品台整体结构的多次重复使用，小于2200℃的高温范围仅需更换垫片即可保持样品台主体支架和定位隔热托盘的结构完整性。本发明的样品台与一体式高温样品台相比，保证了样品台主体结构(主体支架和底部隔热定位托盘)的完整性，无需多次试验频繁更换，大大降低了使用成本，增加了样品台使用的稳定性。

附图说明

[0027] 通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

[0028] 附图1是高温样品台的结构示意图以及实验原理图；

[0029] 附图2是高温样品台的顶视图和A-A向剖面图；

[0030] 附图3是用于具体实施例实验的垫片尺寸图；

[0031] 附图4是用于具体实施例实验的主支架尺寸图；

[0032] 附图5是用于具体实施例实验的底部定位隔热托盘尺寸图。

[0033] 其中，1、试样，2、垫片，3、圆弧片间接触间隙，4、主体支架，5、变截面锥体间接触间隙，6、定位隔热托盘，7、定位隔热托盘与主体支架间接触间隙。

具体实施方式

[0034] 下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。

[0035] 本发明的目的是这样实现的：将高温试样样品台分成三个主要结构，包括垫片、主体支架和定位隔热托盘。所述垫片为分体式结构，由至少两片相同尺寸和形状的圆弧片组成，所述圆弧片拼接成为一个圆弧片之间留有间隙的完整的圆环形状；所述主体支架为分体式结构，由至少两个相同尺寸和形状的变截面锥体组成，所述变截面锥体拼接成一个变截面锥体之间留有间隙的完整的圆环结构；所述定位隔热托盘为圆环型一体结构，并具有用于主体支架定位的内嵌凹槽。

[0036] 优选的，所述垫片、主体支架和定位隔热托盘全部由ZrO2材料模压制备而成。优选的，垫片采用分体式，由4片1/4圆弧片组成，四者可拼接成为一个完整的圆环片，主体支架采用分体式结构，由4个30°弧形角的变截面锥体组成，底部定位隔热托盘为整体件，内嵌凹槽用于主体支架定位。四片式结构的优势在于单片尺寸适中，易于安装操作；结构对称、装配便携；组合后形成的四个间隙(这里描述的间隙可以是拼接后形成的“接触缝隙”，非人为预留的间隙；也可以为人为预留的间隙)能够有效释放高温时垫片内部的热应力；单片受损后可以单独更换，降低了使用成本。

[0037] 样品台结构如图1所示，图中1表示被加热超高温陶瓷试样，2表示垫片，3表示圆弧片间接触间隙，4表示主体支架，5表示变截面锥体间接触间隙，6表示定位隔热托盘，7表示定位隔热托盘与主体支架间接触间隙。

[0038] 本发明用于实验的高温样品台尺寸如附图3～5所示。

[0039] 本发明还具有以下结构特征：

[0040] 高温样品台的具体尺寸可根据加热试样尺寸和激光加热光斑大小设计；高温样品台主体支架尺寸根据垫片尺寸设计，上端直径小，用于放置垫片，下端直径根据实验中承托高温样品台的结构来设计，主支架拼接形成的环形圆锥底部确保激光从底部顺利穿过样品台，直接照射到试样表面；定位隔热托盘放置于底部，起隔热和定位主支架的作用。

[0041] 主体支架结构分离成4个，由于样品台结构的对称性，各个分体具有相同的尺寸和形状，与整体样品台相比，大大降低了模型的复杂程度和利用次数，各个分体受损后可以单独更换，任意搭配使用，降低了高温样品台制备成本；

[0042] 垫片和主体支架组合后形成的间隙、内嵌凹槽结构能够极大减小结构内部热应力，防止因高温度梯度形成裂纹甚至碎裂；

[0043] 定位隔热托盘有凹槽结构，主体支架嵌入凹槽内部，用于定位，同时保证0.5mm至1mm的间隙，消除热膨胀相互挤压引起的热应力；留有间隙的原因在于防止主体支架嵌入托盘后，在高温使用过程中由于主体支架受热膨胀对底部托盘凹槽产生挤压作用，提供膨胀空间；间隙太大则无法起到凹槽限位的作用。

[0044] 经过高温试验测试表明，分体式支架和分体式垫片方式可以满足2200℃重复高温实验，试验期间未发现热应力导致的裂纹，结构保持良好的完整性。

[0045] 实验前将附图1中的主体支架4组合嵌入底部定位隔热托盘7中，使得四个支架能够在底部托盘的定位作用下组成圆锥结构，将ZrO2垫片2组合放置在支架4组合体的上方，调整垫片位置，保证垫片中心孔与形成的圆锥顶部中心孔圆心在同一条轴线上，最后将被加热的超高温材料试样放置在垫片中心，即可开启激光器对试样进行加热。

[0046] 激光对材料进行加热时，加热激光直接作用于试样1的下表面，试样1温度急剧上升，通过接触热传导和辐射对垫片2进行加热，同时高温试样通过辐射加热支架组合体4和底部定位隔热托盘6；此外，垫片2温度急剧上升，通过接触传热对支架组合体4进行传导加热。

[0047] 分体式垫片2与试样1直接接触，既能够隔离主体支架4和试样1的直接接触而受到热传导，缓解主体支架4的热梯度，又因为垫片2本身的分体结构，保证垫片内的热应力能够通过间隙3最大限度的消除，防止垫片由于快速升温，热应力集中而碎裂。

[0048] 支架组合体4同样采用分离式结构，有效消除了顶部高温区热应力集中，同时组合体形成的凹槽结构有利于高温向环境中辐射散热，且有助于调节试样位置或调节激光光斑的实验观察，通过垫片2的隔热作用，支架4的温度和热梯度都得到有效缓解。

[0049] 底部定位隔热托盘6加工有凹槽，结构便于支架组合体4的定位，托盘6同样采用ZrO2材料，能够防止支架4的底面与冷壁直接接触，减小支架纵向的热梯度，同样起到缓解热应力作用，定位隔热托盘与主体支架间接触间隙7表示凹槽与支架组合体的间隙配合，该设计主要是为了留出接触间隙以消除热膨胀带来的挤压作用。

[0050] 具体实施例1：

[0051] 半导体激光器加载功率800W，测试样品为ZrB2-SiC超高温陶瓷材料，尺寸φ12mm×2mm，实验重复次数10次，单次加热时间30min，加热环境为真空Ar保护环境。

[0052] 本实例中利用半导体激光器对φ12mm×2mm的ZrB2-SiC超高温陶瓷试样进行加热，激光输出功率达到800W，高温计测量获得的试样上表面温度约为1800℃，目标温度维持30min，待稳定时间达到后关闭激光器，试样和高温样品台在空气中自然冷却。试样和样品台冷却至室温后，再次开启激光器使用相同功率加热试样至目标温度，如此反复加热10次。

[0053] 经过10次高温加载后，样品台的垫片和支架结构都保持完好。该实验实例表明本发明的高温样品台可满足1800℃温度范围高温材料的多次长时稳定承载。

[0054] 具体实施例2：

[0055] 半导体激光器加载功率950W，测试样品为石墨材料，尺寸φ12mm×2mm，实验重复次数10次，单次加热时间30min，加热环境为真空Ar保护环境。

[0056] 本实例中利用半导体激光器对φ12mm×2mm的石墨试样进行加热，激光输出功率达到950W时，高温计测量获得的试样上表面温度达到2000℃，目标温度维持30min，待试样和样品台冷却至室温后，再次开启激光器使用相同功率加热试样至目标温度，如此反复加热10次。

[0057] 经过10次2000℃的高温加载后，样品台的垫片和支架结构都保持完好。该实验实例表明本发明的高温样品台可在2000℃温度范围可以实现对高温材料的多次长时稳定承载。

[0058] 具体实施例3：

[0059] 半导体激光器加载功率1400W，测试样品为ZrB2-SiC超高温陶瓷材料，尺寸为φ12mm×2mm，试样表面温度达到2200℃，实验重复次数10次，单次加热时间30min，加热环境为真空Ar保护环境。

[0060] 试验过程中，经过5次2200℃的高温加载后，样品台的垫片由于多次承受较高的温度产生了很大的热应力，5次加热试验后垫片受热碎裂，但支架结构都保持完好；更换垫片后对托架继续进行了5次2200℃高温加载，5次加热试验后垫片出现裂纹，但支架结构仍然保持结构完整。该实验表明本发明的高温样品台在2200℃温度下，垫片在多次使用后会发生热裂，需要更换。由于垫片的隔热作用，使得支架承受的温度大大降低，支架在垫片的隔热保护下实现多次使用后结构依然完整。因此，在使用本文设计的高温样品台承载2200℃的高温试样时，仅需要通过更换垫片即可保持主要的支架结构的长时稳定使用，而垫片加工成本较低，与频繁更换整体的高温样品台相比，大大降低了样品台多次使用的实验成本。

[0061] 虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。