超高溫防熱材料原子氧氧化地面模擬實驗裝置的製作方法

2023-04-26 10:41:51 3

專利名稱：超高溫防熱材料原子氧氧化地面模擬實驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及超高溫防熱材料原子氧氧化地面模擬實驗裝置。
背景技術：
地球軌道飛行器和其他星球探測器，如月球探測器，再入約為第一、第二宇宙速度，洲際飛彈彈頭的再入速度為7km/s左右，再入時飛行器具有很高的初始動能，同時受地球引力場作用，還具有極高的勢能，隨著高度的下降，這些能量轉化成動能，飛行器將具有非常高的飛行速度，高速飛行過程中，飛行器表面與空氣接觸，導致氣體體積急劇壓縮而溫度迅速上升，使得高超聲速飛行器表面溫度接近2000°C ；在飛行器實際飛行過程中，由於高速飛行特徵決定了飛行器結構材料表面的氣體由於快速壓縮而離解成等離子體環境，這種等離子體中原子氧的 活性要遠高於自然狀態下的空氣，所以等離子體環境下原子氧對材料的氧化作用明顯高於空氣，高超聲速飛行器表面材料在真實服役環境下的抗氧化性能一直是一個關鍵性問題，並且各國學者對此進行了大量的實驗研究，但實際研究高超聲速飛行器表面材料的氧化受制於設備的限制，而無法形成原子氧環境進行氧化實驗研究；各國學者研究氧化通常採用的都是一個標準大氣壓的空氣，而飛行器隨著飛行高度的變化，其飛行經歷的空氣壓力明顯降低，目前沒有模擬超高溫防熱材料在真實服役環境下的高溫、低壓、原子氧氧化環境下的實驗裝置。

發明內容
本發明為了解決目前還沒有模擬超高溫防熱材料在真實服役環境下的高溫、低壓、原子氧氧化的實驗裝置的問題，進而提供一種超高溫防熱材料原子氧氧化地面模擬實驗裝置。本發明的目的是提供一種基本再現導電超高溫熱防護材料在高超聲速服役條件下的原子氧環境，並能夠方便地進行參數調節以研究不同狀態下材料原子氧氧化行為的裝置。超高溫防熱材料原子氧氧化地面模擬實驗裝置，它包括石英管1、原子氧發生裝置 2、電磁感應加熱裝置3和壓力控制裝置4，原子氧發生裝置2的輸出端連接在石英管1的原子氧輸入端，石英管1的空氣輸出端連接在壓力控制裝置4的空氣輸入端，電磁感應加熱裝置3的輸出端分別連接套在石英管1中部外壁的感應加熱線圈9的一個輸入端。本發明針對過渡金屬硼化物基超高溫防熱材料在高超聲速飛行等離子環境下原子氧氧化性能研究的實驗裝置，本發明還適用於具有良好導電性能的其他高溫材料的原子氧氧化行為研究工作。本發明滿足溫度在1000 2000°C之間、壓力在10 5000Pa之間的高超聲速飛行器防熱材料的原子氧氧化的實驗要求。


圖1為本發明裝置的結構示意圖，圖2為本發明原子氧發生裝置的結構示意圖， 圖3為本發明壓力控制裝置的結構示意圖，圖4為本發明電磁感應加熱裝置的結構示意圖，圖5為本發明裝置的示意圖，圖6為本發明試樣尺寸為Φ10Χ3πιπι3時的實驗過程溫度和壓力曲線圖(圖中細線代表溫度曲線、粗線代表壓力曲線，圖8、圖10、圖12、圖14中的線型同此)，圖7為本發明試樣尺寸為Φ10Χ3πιπι3時的實驗中原子氧發射光譜圖，圖8為本發明試樣尺寸為Φ15Χ4πιπι3時的實驗過程溫度和壓力曲線圖，圖9為本發明試樣尺寸為Φ 15X4mm3時的實驗中原子氧發射光譜圖，圖10為本發明試樣尺寸為Φ20X3mm3時的實驗過程溫度和壓力曲線圖，圖11為本發明試樣尺寸為Φ20Χ3πιπι3時的實驗中原子氧發射光譜圖，圖12本發明試樣尺寸為Φ25Χ4πιπι3時的實驗過程溫度和壓力曲線圖，圖13為本發明試樣尺寸為Φ25Χ4πιπι3時的實驗中原子氧發射光譜圖，圖14為本發明試樣尺寸為 Φ30Χ3πιπι3時的實驗過程溫度和壓力曲線圖，圖15為本發明試樣尺寸為Φ30Χ3πιπι3時的實驗中原子氧發射光譜圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結合圖1、圖5說明本實施方式，本實施方式它包括石英管1、原子氧發生裝置2、 電磁感應加熱裝置3和壓力控制裝置4，原子氧發生裝置2的原子氧輸出端連接在石英管1 的原子氧輸入端，石英管1的空氣輸出端連接在壓力控制裝置4的空氣輸入端，電磁感應加熱裝置3的輸出端分別連接套在石英管1中部外壁的感應加熱線圈9的一個輸入端。本實驗裝置是一種能夠再現高超聲速飛行器在飛行過程中的高溫、低壓、原子氧的環境，對導電性防熱材料氧化行為研究的實驗裝置，該實驗裝置能適應在溫度範圍為 1000 2000°C，壓力為10 5000Pa範圍內的實驗，本裝置能產生微波功率0 1500W。
具體實施方式
二 結合圖2、圖5說明本實施方式，本實施方式的原子氧發生裝置2包括氧氣瓶18、 減壓閥17、流量控制閥14、微波發生器5、射流控制閥15和激勵腔16，氧氣瓶18的輸出端連接在減壓閥17的輸入端，減壓閥17的輸出端連接在流量控制閥14的輸入端，流量控制閥14的氧氣輸出端連接在微波發生器5的氧氣輸入端，微波發生器5的輸出端連接在射流控制閥15的輸入端，射流控制閥15的輸出端連接在激勵腔16的輸入端，激勵腔16的輸出端連接在石英管1的原子氧輸入端。其它組成和連接關係與實施方式一相同。
具體實施方式
三結合圖3、圖5說明本實施方式，本實施方式的壓力控制裝置4包括真空泵10、排氣管11、熱偶真空計12和壓敏真空計13，石英管1的空氣輸出端連接在真空泵10的空氣輸入端，真空泵10的空氣輸出端連接在排氣管11的空氣輸入端，石英管1的內部壓力信號輸出端分別連接在熱偶真空計12和壓敏真空計13的輸入端。其它組成和連接關係與實施方式一相同。
具體實施方式
四結合圖4、圖5說明本實施方式，本實施方式的電磁感應加熱裝置3包括雙比色紅外高溫計6和感應加熱電源7，感應加熱電源7的輸出端分別連接套在石英管1中部外壁的感應加熱線圈9的一個輸入端，雙比色紅外高溫計6懸掛在石英管1的上部且雙比色紅外高溫計6的鏡頭與石英管1軸線重合。其它組成和連接關係與實施方式一相同。
具體實施方式
五
結合圖4、圖5說明本實施方式，本實施方式與實施方式四的不同是它 還包括匯聚透鏡21、光纖20和光譜儀8，石英管1中原子氧的光譜經匯聚透鏡21聚焦到光纖20的光譜輸入端，光纖20的光譜輸出端連接在光譜儀8的光譜輸入端。其它組成和連接關係與實施方式一相同。
具體實施方式
六結合圖4、圖5說明本實施方式，本實施方式與實施方式五的不同是它還包括冷卻裝置19，感應加熱線圈9是空心銅管繞制而成的，空心銅管的冷卻水循環進出端分別通過高壓水管與冷卻裝置19的兩端連通，激勵腔16設置於冷卻夾套中，冷卻夾套的冷卻水循環進出端分別通過高壓水管與冷卻裝置19的進出水端連通。其它組成和連接關係與實施方式一相同。本發明的目的是這樣實現的它包括微波發生器5，微波能量經波導傳輸系統到諧振腔激勵氧氣形成原子氧射流體進入石英管1反應區；壓力控制系統4通過波紋管分別與微波發生器5和石英管1相連，並由壓力控制系統4控制反應氣體流速及石英管1反應區內壓力；實驗臺架置於石英管1內；感應加熱線圈9套在石英管1外壁並與臺架平行，感應加熱線圈9與感應加熱電源7及控制系統相連；微波發生器5的激勵腔體、傳輸系統、反應腔、壓力真空泵10、感應加熱電源7和感應加熱線圈9通過高壓水管與冷卻裝置19相連； 雙比色紅外高溫計6懸掛於石英管1的上端，並與控制器相連；被測的硼化鋯-碳化矽陶瓷基複合材料試件打磨光滑，表面光潔度低於lym，裝夾到臺架上，置於原子氧流場中；高溫原子氧流場通過長焦匯聚透鏡21聚焦，成像於石英光纖20的端面，信號通過光纖20輸入光譜儀8並與計算機進行數據通訊。調節壓力控制裝置4和微波發生器5控制調節反應區環境壓力、原子氧射流流速， 調節感應加熱電流控制試樣升溫速率及表面加熱溫度，再現高超聲速飛行等離子環境中防熱材料表面原子氧氧化行為，光譜儀8、壓力控制裝置4和電磁感應加熱裝置3均通過數據線與計算機進行數據交換，實現實時測量反應區環境壓力，原子氧強度以及試樣表面溫度數據。原子氧測試平臺位置微調組件由螺旋升降器、水平平移臺(配接有測微絲杆)組成，水平平移臺上設置小孔，通過頂絲將光纖20的一端固定，位置微調組件可以調節光纖 20的高度與水平位置，調節精度為0. 01mm，所述的成像匯聚透鏡21和光纖20分別通過調節支架安裝在導軌上，匯聚透鏡21和光纖20可在移動導軌上自由移動。具體實施例一結合圖6、圖7說明本實施方式，本實施方式採用硼化鋯_碳化矽陶瓷基複合材料製作的實驗樣件，尺寸為Φ 10X3mm3，採用金剛石研磨膏將樣件表面打磨到光潔度低於 Iym以下。將打磨後試樣放入密閉石英管1內的實驗臺架上，雙比色紅外高溫計6對準試樣中心；預置試樣微波氧化溫度1100°C，石英管1內的壓力控制在2000Pa，微波發生器陽極電流值控制在200mA。實驗時間為17分鐘，實驗過程溫度和壓力控制曲線如圖6所示；原子氧發射光譜如圖7所示；實驗過程中，試樣表面溫度在1100士 10°C波動，從圖6中能明顯看出溫度的波動，相對於氧乙炔(溫度波動200°C )或者是其他高溫加熱爐(溫度波動20 30°C)的溫度穩定性而言，本實驗裝置溫度可靠性高；壓力在2000士 IOPa波動，採集到原子氧波長為844. 61nm，相對強度為3668 ；
具體實施例二 結合圖8、圖9說明本實施方式，本實施方式採用硼化鋯_碳化矽陶瓷基複合材料製作的實驗樣件，尺寸為Φ 15X4mm3，採用金剛石研磨膏將樣件表面打磨到光潔度低於 Iym以下。將打磨後試樣放入密閉石英管1內的實驗臺架上，雙比色紅外高溫計6對準試樣中心；預置試樣微波氧化溫度1200°C，石英管1內的壓力控制在lOOOPa，微波發生器陽極電流值控制在240mA。實驗時間為15分鐘，實驗過程溫度和壓力控制曲線如圖8所示；原子氧發射光譜如圖9所示；實驗過程中，試樣表面溫度在1200士 15°C波動，從圖8中能明顯看出 溫度的波動，相對於氧乙炔(溫度波動200°C )或者是其他高溫加熱爐(溫度波動20 30°C)的溫度穩定性而言，本實驗裝置溫度可靠性高；壓力在1000士 IOPa波動，採集到原子氧波長為844. 61nm，相對強度為4649 ；具體實施例三結合圖10、圖11說明本實施方式，本實施方式採用硼化鋯_碳化矽陶瓷基複合材料製作的實驗樣件，尺寸為Φ20Χ3πιπι3，採用金剛石研磨膏將樣件表面打磨到光潔度低於 Iym以下。將打磨後試樣放入密閉石英管1內的實驗臺架上，雙比色紅外高溫計6對準試樣中心；預置試樣微波氧化溫度1300°C，石英管1內的壓力控制在500Pa，微波發生器陽極電流值控制在270mA。實驗時間為16分鐘，實驗過程溫度和壓力控制曲線如圖10所示；原子氧發射光譜如圖11所示；實驗過程中，試樣表面溫度在1300士 15°C波動，從圖10中能明顯看出溫度的波動，相對於氧乙炔(溫度波動200°C)或者是其他高溫加熱爐(溫度波動 20 30°C )的溫度穩定性而言，本實驗裝置溫度可靠性高；壓力在500士 IOPa波動，採集到原子氧波長為844. 61nm，相對強度為5149 ；具體實施例四結合圖12、圖13說明本實施方式，本實施方式採用硼化鋯_碳化矽陶瓷基複合材料製作的實驗樣件，尺寸為Φ25Χ4πιπι3，採用金剛石研磨膏將樣件表面打磨到光潔度低於 Iym以下。將打磨後試樣放入密閉石英管1內的實驗臺架上，雙比色紅外高溫計6對準試樣中心；預置試樣微波氧化溫度1400°C，石英管1內的壓力控制在lOOPa，微波發生器陽極電流值控制在300mA。實驗時間為13分鐘，實驗過程溫度和壓力控制曲線如圖12所示；原子氧發射光譜如圖13所示；實驗過程中，試樣表面溫度在1400士20°C波動，從圖12中能明顯看出溫度的波動，相對於氧乙炔(溫度波動200°C)或者是其他高溫加熱爐(溫度波動 20 30°C )的溫度穩定性而言，本實驗裝置溫度可靠性高；壓力在100士5Pa波動，採集到原子氧波長為844. 61nm，相對強度為5362 ；具體實施例五結合圖14、圖15說明本實施方式，本實施方式採用硼化鋯_碳化矽陶瓷基複合材料製作的實驗樣件，尺寸為Φ30Χ3πιπι3，採用金剛石研磨膏將樣件表面打磨到光潔度低於 Iym以下。將打磨後試樣放入密閉石英管1內的實驗臺架上，雙比色紅外高溫計6對準試樣中心；預置試樣微波氧化溫度1500°C，石英管1內的壓力控制在40Pa，微波發生器陽極電流值控制在350mA。實驗時間為10分鐘，實驗過程溫度和壓力控制曲線如圖14所示；原子氧發射光譜如圖15所示；實驗過程中，試樣表面溫度在1500士25°C波動，從圖14中能明顯看出溫度的波動，相對於氧乙炔(溫度波動200°C )或者是其他高溫加熱爐(溫度波動 20 30°C )的溫度穩定性而言，本實驗裝置溫度可靠性高；壓力在40士5Pa波動，採集到原子氧波長為844. 61nm，相對強度為6010。
權利要求
1.超高溫防熱材料原子氧氧化地面模擬實驗裝置，其特徵是它包括石英管(1)、原子氧發生裝置(2)、電磁感應加熱裝置(3)和壓力控制裝置(4)，原子氧發生裝置(2)的輸出端連接在石英管(1)的原子氧輸入端，石英管(1)的空氣輸出端連接在壓力控制裝置(4) 的空氣輸入端，電磁感應加熱裝置(3)的輸出端分別連接套在石英管(1)中部外壁的感應加熱線圈(9)的一個輸入端。
2.根據權利要求1所述超高溫防熱材料原子氧氧化地面模擬實驗裝置，其特徵在於原子氧發生裝置(2)包括氧氣瓶(18)、減壓閥(17)、流量控制閥(14)、微波發生器(5)、射流控制閥(15)和激勵腔(16)，氧氣瓶(18)的輸出端連接在減壓閥(17)的輸入端，減壓閥 (17)的輸出端連接在流量控制閥(14)的輸入端，流量控制閥(14)的氧氣輸出端連接在微波發生器(5)的氧氣輸入端，微波發生器(5)的輸出端連接在射流控制閥(15)的輸入端， 射流控制閥(15)的輸出端連接在激勵腔(16)的輸入端，激勵腔(16)的輸出端連接在石英管(1)的原子氧輸入端。
3.根據權利要求1或2所述超高溫防熱材料原子氧氧化地面模擬實驗裝置，其特徵在於壓力控制裝置(4)包括真空泵(10)、排氣管(11)、熱偶真空計(12)和壓敏真空計(13)， 石英管(1)的空氣輸出端連接在真空泵(10)的空氣輸入端，真空泵(10)的空氣輸出端連接在排氣管(11)的空氣輸入端，石英管(1)的內部壓力信號輸出端分別連接在熱偶真空計 (12)和壓敏真空計(13)的輸入端。
4.根據權利要求1或2所述超高溫防熱材料原子氧氧化地面模擬實驗裝置，其特徵在於電磁感應加熱裝置⑶包括雙比色紅外高溫計(6)和感應加熱電源(7)，感應加熱電源 (7)的輸出端分別連接套在石英管1中部外壁的感應加熱線圈(9)的一個輸入端，雙比色紅外高溫計(6)懸掛在石英管(1)的上部且雙比色紅外高溫計(6)的鏡頭與石英管(1)軸線重合。
5.根據權利要求1或2所述超高溫防熱材料原子氧氧化地面模擬實驗裝置，其特徵在於它還包括匯聚透鏡(21)、光纖(20)和光譜儀(8)，石英管(1)中原子氧的光譜經匯聚透鏡(21)聚焦到光纖(20)的光譜輸入端，光纖(20)的光譜輸出端連接在光譜儀(8)的光譜輸入端。
6.根據權利要求1或2所述超高溫防熱材料原子氧氧化地面模擬實驗裝置，其特徵在於它還包括冷卻裝置(19)，感應加熱線圈(9)是空心銅管繞制而成的，空心銅管的冷卻水循環進出端分別通過高壓水管與冷卻裝置(19)的兩端連通，激勵腔(16)設置於冷卻夾套中，冷卻夾套的冷卻水循環進出端分別通過高壓水管與冷卻裝置(19)的進出水端連通。
全文摘要
超高溫防熱材料原子氧氧化地面模擬實驗裝置，涉及超高溫防熱材料原子氧氧化地面模擬實驗裝置，解決了目前沒有模擬這種高溫、低壓、原子氧氧化環境的實驗裝置問題，適用於模擬不同狀態超高溫防熱材料的原子氧氧化環境；它包括石英管、原子氧發生裝置、電磁感應加熱裝置和壓力控制裝置，原子氧發生裝置的輸出端連接在石英管的原子氧輸入端，石英管的空氣輸出端連接在壓力控制裝置的空氣輸入端，加熱裝置的輸出端分別連接套在石英管中部外壁的感應加熱線圈的一個輸入端，滿足溫度在1000～2000℃之間、壓力在10～5000Pa之間的高超聲速飛行器防熱材料的原子氧氧化的實驗要求，適用於高溫材料原子氧環境下的氧化行為研究。
文檔編號G01N21/70GK102175665SQ20111003610
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月11日 優先權日2011年2月11日
發明者孟松鶴, 白光輝, 解維華, 許承海, 金華, 陳紅波 申請人:哈爾濱工業大學