烧蚀复合防热材料高温热物理性能新型测试方法的初步研究

摘要：本文提出了一种新的测试方法——恒定加热速率法，以准确测试高温热物理性能，从而获得热化学反应过程中热导率、热扩散率和热容量的变化曲线。

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一、提出问题

烧蚀防热材料的高温热物理性能是高温下传热管理和热化学烧蚀建模的必要参数，但由于烧蚀材料的特殊性：热导率相当低，加热过程中会产生气体，热性能不单调，甚至材料的热性能也取决于加热速率。这种特殊性造成目前的各种稳态法和瞬态法都不适合烧蚀防热材料的热物理性能测试，主要是因为在测试之前的温度稳定期间就已经发生了热化学反应。因此，高温热物理性能测试一直是一个技术问题，需要开发一种新的测试方法，准确测量整个使用温度范围内含有热化学反应过程的热物理性能，甚至测试不同加热速率下的热物理性能。

本文将提出一种新的测试方法——恒定加热速率法，以测试高温热物理性能，从而获得热导率、热扩散率和热容量随温度变化的曲线。

二、测试方法

基于热物理性能测试中一般需要测量热流和温度的基本概念，建立了传热第二类正式热条件测试模型，即样品表面恒定加热，样品表面温度呈线性变化，样品背面为绝缘条件。

根据傅里叶传热定律，样品厚度方向的传热方程为：

式中： ρ样品密度， C样品比热容， λ样品热导率，T为温度，t 为时间 ，T0 是 t=0 样品的初始温度， b是加热速率。

当加热速率B为常数时，通过测试样品前后的两个表面温度，并解决上述传热方程，可以得到样品的等效热扩散率随平均温度的变化曲线。

在这种恒定加热速率测试方法中，金属板起着热流传感器的作用，即在线加热过程中测量金属板前后表面的温度，结合金属板已知的热物理性能参数，可以计算流经金属板的热流密度，间接测量流经样品的热流密度。

通过测量的热流密度和测量样品的两个表面温度，解决上述传热方程，可以得到测量样品的等效热导率随平均温度的变化曲线。

根据上述测量获得热扩散率和热导率，并根据比热容量、密度、热扩散率和热导率之间的关系λ=ρ×C×α，可计算被测样品的质量热容随温度变化曲线。如果用热膨胀仪和热重分析仪准确测量被测材料在不同温度下的密度变化，则可以通过关系式获得被测样品的比热容随温度变化曲线。

对于上述恒定加热速率法的测试模型，我们采用有限元进行了热模拟和计算，证明了该方法对低导热保温材料的热测试的有效性。

三、今后的工作

虽然有详细的测试公式推导和有限元仿真计算，但需要进一步开展以下研究：

(1)采用无热化学反应的高温保温材料进行测试，评估测试方法的重复性和测量不确定性。

(2)将无热化学反应的高温保温材料与稳态热流计、热线法、闪光法等其他高温热物性试验方法进行比较。

（3）采用烧蚀防热材料进行高温试验，结合其他热分析方法、热模拟试验（石英灯、氧乙炔、小发动机火焰、风洞）和建模分析，验证新试验方法的有效性。

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