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一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统及方法

申请号 CN202210552060.9 申请日 2022-05-18 公开(公告)号 CN115096936A 公开(公告)日 2022-09-23
申请人 上海交通大学; 发明人 刘永佳; 王瑞斌; 侯静文; 朱邦尚; 李妍; 张杰;
摘要 本发明涉及一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统及方法,该测量系统包括样品舱、设置在样品舱内用以夹持待测样品的压力样品架、用以模拟太空温度交变环境的交变温度模拟子系统、用以模拟太空紫外辐射环境的紫外线生成装置、用以检测待测样品测量参数的参数测量子系统、用以实现对样品舱抽真空的抽真空子系统以及微机自动控制子系统。与现有技术相比,实现更好的探索空间环境下材料的隔热情况,能够模拟太空空间环境中特有的多种环境,包括高真空、交变温度和/或紫外辐射。
权利要求

1.一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统,其特征在于,该测量系统包括样品舱、设置在样品舱内用以夹持待测样品的压力样品架、用以模拟太空温度交变环境的交变温度模拟子系统、用以模拟太空紫外辐射环境的紫外线生成装置、用以检测待测样品测量参数的参数测量子系统、用以实现对样品舱抽真空的抽真空子系统以及微机自动控制子系统。

2.根据权利要求1所述的一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统及方法,其特征在于,所述的交变温度模拟子系统包括液氮制冷单元和电加热单元,所述的液氮制冷单元包括由液氮罐和液氮循环金属管组成的制冷回路以及设置在制冷回路上的自动阀门以及与制冷回路连接的氦气流量控制器,所述的液氮循环金属管呈S型设置在样品舱处,所述的电加热单元具体为内含电加热丝的加热板,所述的加热板贴设在样品舱的内壁处,通过交替启动液氮制冷单元和电加热单元实现温度的交替改变进而模拟太空温度交变环境。

3.根据权利要求1所述的一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统及方法,其特征在于,所述的紫外线生成装置包括分别设置在压力样品架前后左右上下六个方位上的紫外线发生器以及对应的控制开关,用以实现太空紫外辐射环境的全方位模拟。

4.根据权利要求1所述的一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统及方法,其特征在于,所述的抽真空子系统包括一级机械泵、分子泵以及设置在样品舱内的真空度测试传感器,所述的真空度测试传感器与微机自动控制子系统连接。

5.根据权利要求1所述的一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统及方法,其特征在于,所述的压力样品架设置在样品舱中心处,包括由上至下依次压紧设置的上冷板单元、上待测样品、中间层加热单元、下待测样品以及下冷板单元,所述的中间层加热单元作为热源,包括设置在计量加热单元左右两侧的防护加热单元以及分别设置在计量加热单元与左右防护加热单元之间隔缝处的热流平衡装置,所述的热流平衡装置用以测量防护加热单元与计量加热单元之间的热流,控制隔缝两侧的温差接近于零。

6.根据权利要求5所述的一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统及方法,其特征在于,所述的参数测量子系统包括分别设置在上待测样品和下待测样品上下表面与上下冷板单元和中间层加热单元接触面处的温度传感器、用以实时测量待测样品厚度和尺寸的位移检测传感器以及用以测量中间层加热单元发热功率的直流功率传感器,所述的温度传感器在待测样品上下表面处布置3个,分别位于待测样品的中心、半径中点和边缘处,所述的温度传感器具体为铂电阻温度传感器。

7.根据权利要求5所述的一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统及方法,其特征在于,所述的待测样品与中间层加热单元均呈圆形,所述的中间层加热单元具体采用电加热片,电加热片的直径大于待测样品厚度的6倍,待测样品厚度为0.2‑25mm,待测样品堆叠层数不多于10层。

8.根据权利要求4所述的一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统及方法,其特征在于,所述的上冷板单元和下冷板单元具体为导热面板,并通过微机自动控制子系统采用电子制冷方式控制冷板温度,所述的计量加热单元具体为高导热加热面板。

9.根据权利要求1所述的一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统及方法,其特征在于,所述的样品舱外部铺设有外防护单元,该外防护单元采用无毒无刺激性的环保型保温材料制成,用以实现保温使测试环境条件更稳定。

10.一种应用如权利要求1‑9任一项所述模拟太空环境的材料导热系数的测量系统的测量方法,其特征在于,包括以下步骤:

1)将待测样品装入压力样品架,达到预设压力后,位移检测传感器记录样品厚度;

2)通过抽真空子系统对样品舱抽真空达到要求的真空度值;

3)根据测试需要开启交变温度模拟子系统和紫外线生成装置以模拟样品材料经过辐照和温度交替变换后的状态;

4)通过多个测温点处的温度传感器采集各测温点温度并记录测试时间,当温度稳定超过30min后结束实验;

5)根据傅里叶导热定律计算导热系数 其中,Q为中间层加热单元的加热量的一半,A为中间层加热单元的面积,T1为待测样品与冷板单元接触面的温度,T2为中间层加热单元表面的温度,h为待测样品厚度。

说明书全文

一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及材料导热系数测量技术领域,尤其是涉及一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统及方法。

背景技术

[0002] 随着中国航天事业的发展和空间站计划的启动,随之而来的是大量的人员往返、物资运输,宇航员的舱外工作也随之越来越多。由于太空具有超高/低温、微重力、高真空、强辐射和等离子体的特殊环境,一般材料根本无法正常作业,航天保温材料的隔热性在保证航天员、电子设备等能在合理温度下正常工作上起着重要的作用,导热系数是衡量材料保温性能的重要参数,故准确测定航天材料在太空环境的导热系数非常重要。
[0003] 关于太空材料导热系数的测定问题,目前已有相关研究模拟真空、低温环境,运用稳态法进行纤维、织物面料的导热系数测试,也可通过计算手段进行导热系数的模拟,但辐射和交变温度对于材料导热系数的作用还没有相关测量系统,不考虑辐射和交变温度的仿真模拟并不能充分的反映材料在空间环境中真实的热传导和保温性能,因此需要一种能够反映材料在空间环境中真实的导热性能的测试系统和方法。

发明内容

[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统及方法。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006] 一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统,该测量系统包括样品舱、设置在样品舱内用以夹持待测样品的压力样品架、用以模拟太空温度交变环境的交变温度模拟子系统、用以模拟太空紫外辐射环境的紫外线生成装置、用以检测待测样品测量参数的参数测量子系统、用以实现对样品舱抽真空的抽真空子系统以及微机自动控制子系统。
[0007] 所述的交变温度模拟子系统包括液氮制冷单元和电加热单元,所述的液氮制冷单元包括由液氮罐和液氮循环金属管组成的制冷回路以及设置在制冷回路上的自动阀门以及与制冷回路连接的氦气流量控制器,所述的液氮循环金属管呈S型设置在样品舱处,所述的电加热单元具体为内含电加热丝的加热板,所述的加热板贴设在样品舱的内壁处,通过交替启动液氮制冷单元和电加热单元实现温度的交替改变进而模拟太空温度交变环境。
[0008] 所述的紫外线生成装置包括分别设置在压力样品架前后左右上下六个方位上的紫外线发生器以及对应的控制开关,用以实现太空紫外辐射环境的全方位模拟。
[0009] 所述的抽真空子系统包括一级机械泵、分子泵以及设置在样品舱内的真空度测试传感器,所述的真空度测试传感器与微机自动控制子系统连接。
[0010] 所述的压力样品架设置在样品舱中心处,包括由上至下依次压紧设置的上冷板单元、上待测样品、中间层加热单元、下待测样品以及下冷板单元,所述的中间层加热单元作为热源,包括设置在计量加热单元左右两侧的防护加热单元以及分别设置在计量加热单元与左右防护加热单元之间隔缝处的热流平衡装置,所述的热流平衡装置用以测量防护加热单元与计量加热单元之间的热流,控制隔缝两侧的温差接近于零。
[0011] 所述的参数测量子系统包括分别设置在上待测样品和下待测样品上下表面与上下冷板单元和中间层加热单元接触面处的温度传感器、用以实时测量待测样品厚度和尺寸的位移检测传感器以及用以测量中间层加热单元发热功率的直流功率传感器,所述的温度传感器在待测样品上下表面处布置3个,分别位于待测样品的中心、半径中点和边缘处,所述的温度传感器具体为铂电阻温度传感器。
[0012] 所述的待测样品与中间层加热单元均呈圆形,所述的中间层加热单元具体采用电加热片,电加热片的直径大于待测样品厚度的6倍,待测样品厚度为0.2‑25mm,待测样品堆叠层数不多于10层。
[0013] 所述的上冷板单元和下冷板单元具体为导热面板,并通过微机自动控制子系统采用电子制冷方式控制冷板温度,所述的计量加热单元具体为高导热加热面板。
[0014] 所述的样品舱外部铺设有外防护单元,该外防护单元采用无毒无刺激性的环保型保温材料制成,用以实现保温使测试环境条件更稳定。
[0015] 一种模拟太空环境的材料导热系数的测量方法,包括以下步骤:
[0016] 1)将待测样品装入压力样品架,达到预设压力后,位移检测传感器记录样品厚度;
[0017] 2)通过抽真空子系统对样品舱抽真空达到要求的真空度值;
[0018] 3)根据测试需要开启交变温度模拟子系统和紫外线生成装置以模拟样品材料经过辐照和温度交替变换后的状态;
[0019] 4)通过多个测温点处的温度传感器采集各测温点温度并记录测试时间,当温度稳定超过30min后结束实验;
[0020] 5)根据傅里叶导热定律计算导热系数 其中,Q为中间层加热单元的加热量的一半,A为中间层加热单元的面积,T1为待测样品与冷板单元接触面的温度,T2为中间层加热单元表面的温度,h为待测样品厚度。
[0021] 与现有技术相比,本发明具有以下优点:
[0022] 本发明弥补了现有技术针对多因素太空环境综合影响材料导热系数性能评价的不足,实现更好的探索空间环境下材料的隔热情况,能够模拟太空空间环境中特有的多种环境,包括高真空、交变温度和/或紫外辐射。

附图说明

[0023] 图1为本发明的结构示意图。
[0024] 图2为图1中A部的放大图。

具体实施方式

[0025] 以下结合附图和具体实施例对本发明提出的模拟太空环境下材料导热系数测量系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书,本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0026] 在充分考虑空间环境中特有的高真空、交变温度和紫外线辐射后,本发明提供一种模拟太空环境的材料导热系数的测量系统,如图1所示,该测量系统由样品舱、液氮制冷单元、抽真空子系统、紫外线生成装置、交变温度模拟子系统、微机自动控制子系统、计量加热单元、防护加热单元、冷板单元、外防护单元(保温系统)、参数测量子系统、压力样品架等组成。
[0027] 液氮制冷单元包括液氮罐、液氮循环金属管、自动控制阀门、氦气流量控制器(用以通过控制氦气将液氮吹入液氮循环金属管中);
[0028] 抽真空子系统包括一级机械泵、分子泵和真空度测试传感器;
[0029] 紫外线生成装置包括紫外线发生器和控制开关;
[0030] 交变温度模拟子系统通过控制电加热器和液氮制冷单元交替启动,从而使样品舱内的温度发生交替变换;
[0031] 微机自动控制子系统采用于实现控温、计算、温度采集、打印测试报告、显示过程曲线等功能;
[0032] 计量加热单元采用优质导热材料作为加热面板,因其具有高导热性能,使加热板面温度更均匀、热惯性小,这样使测量结果更准确;
[0033] 防护加热单元采用与计量加热单元相同的面板材料,采用热流平衡装置测量防护加热单元与计量加热单元之间热流,以便精控制隔缝两侧的温差接近于零,保证仪器测试精度;
[0034] 冷板单元采用优质导热材料作为导热面板,采用电子制冷方式控制冷板温度,冷板温度可设定,微机自动控制;
[0035] 外防护单元(保温系统)采用优质、环保型保温材料,不但保温性能好,且无毒、无刺激性,此保温系统使测试环境条件更稳定,从而保证仪器测试精度;
[0036] 参数测量子系统采用稳定性高、精度高的铂电阻温度传感器、高精度直流功率传感器以及用于实时记录样品厚度和尺寸的变化的位移传感器(本例中,要求位移传感器的测试精度优于±0.1%。),使数据采集结果更准确;中间层加热单元作为中间层加热单元具体采用电加热片;
[0037] 压力样品架用于样品的夹持并控制加持的压力;
[0038] 本发明还提供一种基于上述模拟太空环境下材料导热系数的测量系统的测量方法,具体包括以下步骤:
[0039] 试样安装:将待测样品装入压力样品架,达到预设压力,位移检测系统记录样品厚度;
[0040] 样品舱抽真空:达到所要求的真空度值;
[0041] 紫外线生成装置和交变温度模拟子系统:根据测试需要开启来模拟材料经过辐照和温度交替变换后的状态,包括真空、温度、紫外线辐射的各种组合环境;
[0042] 低温控制:制冷系统的液氮生成装置向液氮循环金属管中通入液氮,从而降低真空样品舱内的温度至设置温度;
[0043] 中间层加热单元:采用电加热片,中间层加热单元直径要大于测试样品厚度的6倍;
[0044] 测试数据采集:实验材料的上下面各布置3个温度传感器,分别位于待测物的中心、半径中点和边缘,四层共12个,各测温点温度传感器采用Pt100铂电阻,记录测试时间及各测温点温度,当温度稳定超过30min后结束实验;
[0045] 结果分析:根据傅里叶导热定律,假设航空材料的导热为一维导热问题,公式为其中,Q为电加热片的加热量的一半,A为电加热片的面积,T1为材料与冷板单元接触面的温度,T2分别为电加热片表面的温度,分别由温度传感器测出,待测材料厚度h,如果忽略接触面之间的接触热阻与横向传热,则有导热系数 ΔT=T2‑T1。
[0046] 该测量方法适用于测试航天材料的导热系数,从而评价其保温效果;测试前需要将测试材料的形状制备成与加热片的尺寸一致,一般为圆形;待测样品的厚度太薄和太厚都会导致测试漏热误差变大,一般样品厚度为0.2‑25mm,堆叠样品层数不多于10层。
[0047] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
[0048] 实施例1:
[0049] 航空服面料织物的导热性能测试,热源选用为电加热膜,加热功率5W,电阻50Ω,直径Φ300mm(远大于实验材料厚度的6倍),通过调节电压,获得不同功率的恒定热流。测量航空服面料织物沿导热方向的厚度,本实例中选用芳纶织物作为实验材料,厚度约0.3mm。由于面料较薄,将面料堆叠8层,厚度约为2.35mm。将堆叠好的面料放置于压力样品架上,设置夹样压力为5psi。关闭进样口,开始抽真空至0.1Pa,降温至‑150℃,恒温保持15min后开始给加热片通电,记录测试时间及各测温点温度,当温度稳定超过30min后结束实验;放气使舱内恢复常压、常温。
[0050] 如要考虑紫外线辐射对航空服面料织物的隔热性能的影响,可以调控舱内进行不同辐射剂量的紫外线照射,研究紫外线照射剂量对航空服面料织物导热性能的影响。
[0051] 如要考交变温度对航空服面料织物的隔热性能的影响,可以调控舱内进行加热和冷却循环,研究交变温度对航空服面料织物隔热性能的影响,同时也可测试航空服面料织物在不同温度下的导热系数。
[0052] 实施例2:
[0053] 航空飞船隔热板的导热性能测试。热源选用为电加热膜,加热功率5W,电阻50Ω,直径Φ300mm(远大于实验材料厚度的6倍),通过调节电压,获得不同功率的恒定热流。测量航空飞船隔热板沿导热方向的厚度,本实例中选用多孔玻璃纤维材料作为实验材料,厚度约2mm。关闭进样口,开始抽真空至0.1Pa,降温至‑150℃,恒温保持15min后开始给加热片通电,记录测试时间及各测温点温度,当温度稳定超过30min后结束实验;放气使舱内恢复常压、常温。
[0054] 如要考虑紫外线辐射对航空飞船隔热板的隔热性能的影响,可以调控舱内进行不同辐射剂量的紫外线照射,研究紫外线照射剂量对航空飞船隔热板导热性能的影响。
[0055] 如要考交变温度对航空飞船隔热板的隔热性能的影响,可以调控舱内进行加热和冷却循环,研究交变温度对航空飞船隔热板隔热性能的影响,同时也可测试航空飞船隔热板在不同温度下的导热系数。
[0056] 实施例3:
[0057] 根据傅里叶导热定律,假设航空材料的导热为一维导热问题,公式为其中Q为加热片的加热量的一半,A为加热片的面积,T1为材料与加热面板接触面的温度,T2为加热片表面的温度,分别由温度传感器测出,待测材料厚度h,如果忽略接触面之间的接触热阻与横向传热,则有 ΔT=T2‑T1。
[0058] 根据实例一和实例二的测试步骤和本实例中的分析方法,可以计算得到不同测试条件下的材料导热系数。