一种利用简谐热流/温度边界导热的材料热扩散系数检测装置和方法

本发明涉及材料热扩散系数的检测，具体为一种利用简谐热流/温度边界导热的材料热扩散系数检测装置和方法。

背景技术：

1、材料的热扩散系数是衡量材料热性能的关键参数之一，具有重要意义。在航空航天领域，材料需承受极端复杂的热环境。比如飞行器在大气层中高速飞行时，因与空气剧烈摩擦会产生大量热量，致使表面温度急剧升高。此时，材料的热扩散系数直接关乎飞行器的结构完整性和安全性。了解材料热扩散系数，有助于筛选和研发出能快速散热、承受高温的材料，用于制造飞行器的机翼前缘、发动机热端部件等关键部位。同时，在卫星等航天器中，电子设备的散热也至关重要，热扩散系数的准确测定有助于优化航天器的热管理系统，确保电子设备在太空环境下稳定运行，避免因过热导致设备故障，保障航天任务的顺利进行。

2、现有的材料热扩散系数检测方法有：激光闪射法、热线法和热盘法。

3、激光闪射法是将脉冲激光照射在薄片状试样的一侧表面，使试样迅速吸收激光能量并产生温升，通过测量试样另一侧表面温度随时间的变化曲线，依据热传导理论计算出材料的热扩散系数。热线法是将一根热线置于被测材料中，通过向热线施加恒定的电流，使热线产生热量并向周围材料传递，测量热线温度随时间的变化，根据热传导方程求解得到材料的热扩散系数。但这两种方法测量成本高、易受周围环境因素影响，且不适用于大尺寸、大厚度试样。

4、热盘法是将一个带有双螺旋形加热丝的薄片状探头放置在试样中间，加热丝通电后产生热量，同时测量探头温度的变化，通过分析温度变化曲线，结合特定的数学模型计算出材料的热扩散系数。该方法测得的热扩散系数的可比性较差，材料不均匀试样的测量效果不佳。

5、因此，基于简谐热流/温度边界导热，比较试样被加热面和加热背面简谐热流/温度的幅值变化得出材料热扩散系数的方法，具有设备简单、检测方便、试样种类包容性高、环境适应性强的优点，对材料热扩散系数的快速测量具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种利用简谐热流/温度边界导热的材料热扩散系数检测装置和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：利用一种简谐热流/温度边界导热的材料热扩散系数检测装置，包括红外线矩阵灯、夹具、试样、温度测控组件和控制与计算模块，所述夹具的一侧放置有红外线矩阵灯，所述夹具包括基座、万向轴、可转向底座、固定导轨、固定杆、紧固螺栓和螺母，所述基座的顶部通过万向轴与可转向底座相连，所述可转向底座的顶部滑动连接有两个固定导轨，所述固定导轨通过紧固螺栓和螺母安装有固定杆，且固定杆与固定导轨之间夹持有试样，所述试样的两面均安装有温度测控组件，所述温度测控组件包括温度测控元件一、温度测控元件二、温度测控元件三、温度测控元件四、温控测控元件五、温度测控元件六、温度测控元件七、温度测控元件八、温度测控元件九和温度测控元件十，所述试样的被加热面四角分别安装有温度测控元件一、温度测控元件二、温度测控元件四和温控测控元件五，所述试样的被加热面中部安装有温度测控元件三，所述试样的加热背面四角分别安装有温度测控元件六、温度测控元件七、温度测控元件九和温度测控元件十，所述试样的加热背面中部安装有温度测控元件八，所述温度测控组件信号连接控制与计算模块。

3、优选的，所述基座的两侧还固定安装有稳定支撑组件，所述稳定支撑组件包括安装板、水平仪、伺服电动缸和吸盘，所述安装板与基座固定连接，所述安装板为倒立的“l”形，且安装板的底部固定安装有伺服电动缸，所述伺服电动缸底部的输出端安装有吸盘，所述安装板的顶部安装有水平仪。

4、优选的，所述可转向底座的底部安装有倾角传感器，所述可转向底座的顶部开设有凹槽，所述凹槽与“凸”形底座滑动连接，且“凸”形底座固定在固定导轨的底部，所述固定杆与固定导轨的中部均开设有中心长槽孔，且所述固定杆的中心长槽孔和固定导轨的中心长槽孔对齐设置。

5、优选的，所述试样两面的边侧均固定有防护垫，且防护垫分别与固定杆和固定导轨对应设置，所述试样为固体，试样包括单一材料组成的板状材料或者多种材料组成的层合板材料、蜂窝材料，试样为多种材料制备的复合材料时，检测结果称为该试样的等效热扩散系数。

6、优选的，所述红外线矩阵灯由红外线灯泡规律排布组成，红外线灯泡四周安装有灯罩，所述红外线矩阵灯通过导线与交流电源电性连接。由红外线矩阵灯发射热源，通过试样被加热面温度测控元件实时监测试样被加热面温度变化，试样被加热面温度测控元件通过测温电路连接控制与计算模块，通过反馈控制单元连接控制与计算模块和交流电源；试样加热背面温度测控元件通过测温电路连接控制与计算模块。红外线矩阵灯整体外轮廓形状与试样平面形状一致且平行正对于试样被加热表面。

7、优选的，所述温度测控组件由电阻测温计和测温电路组成。电阻测温计粘附于试样被加热面，选取试样四角和中心5个特征位置，通过测温电路将信号传给控制与计算模块的温度监测单元；温度监测单元连接控制反馈控制单元；电阻测温计粘附于试样加热背面，选取试样四角和中心5个特征位置；通过测温电路将信号传给控制与计算模块的温度测量单元；温度测量单元连接控制热扩散系数计算单元。

8、优选的，所述控制与计算模块包括温度监测单元、反馈控制单元、温度测量单元和热扩散系数计算单元，所述温度监测单元与反馈控制单元信号连接。

9、一种利用简谐热流/温度边界导热的材料热扩散系数检测装置的检测方法，包括以下步骤：

10、步骤一，设备连接，试样固定在夹具上后，利用测温电路连接试样被加热表面的温度测控组件与温度监测单元，利用数据导线连接反馈控制单元与交流电源，利用测温电路连接试样加热背面的温度测控组件与温度测量单元；

11、步骤二，初始设定，输入加载简谐热流/温度的幅值、频率、相位及试样厚度参数；

12、步骤三，控制热载，温度监测单元实时采集试样被加热表面热流/温度随时间变化曲线的幅值、频率，与设定的幅值、频率进行对比，利用反馈控制单元调整交流电源，控制红外线矩阵灯产生的简谐热流/温度，使试样被加热表面具有设定的幅值、频率输入；

13、步骤四，数据采集，温度测量单元开始采集试样加热背面的热流/温度随时间的变化曲线输出；

14、步骤五，结果计算，当温度测量单元显示的热流/温度随时间的变化曲线达到稳定幅值、频率时，热扩散系数计算单元收集当前输入、输出热流/温度随时间变化曲线的幅值，计算并输出该试样的材料热扩散系数。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

16、夹具夹持尺寸可调，适配多种试样尺寸、形状；夹具方向可调，适配多种检测场地，在固定基座的情况下，借助万向轴可任意调整试样位置，针对大尺寸试样，提高了单人调整的可操作性。与现有技术相比，本发明的适用性强，经济效益好，具有广阔的应用前景。采用红外线矩阵灯，可调整加热范围，更好适配不同尺寸、不同平面形状的试样，保证加热均匀，提高检测准确度。利用简谐热流/温度在试样表面输入、输出的幅值变化即衰减特性确定材料热扩散系数，该方法可操作性强，技术门槛低，具有良好的潜在经济效益，并可检测复合材料的等效热扩散系数大小。