阅读说明：本技术 一种辐射散热修正型航空背景材料的导热系数及界面热阻的稳态测试系统及方法 (Steady-state test system and method for heat conductivity coefficient and interface thermal resistance of radiation heat dissipation correction type aviation background material ) 是由 范利武 涂敬 冯飙 张宇鸿 俞自涛 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种辐射散热修正型航空背景材料的导热系数和界面热阻的稳态测试系统及方法。所述装置由锗太阳能吸收板热源、辐射制冷板冷源、温度测试系统、数据采集系统等组成。热源和冷源均与一段圆柱形航空用铝合金材料相连,铝合金材料上侧向布置高精度温度传感器用于温度测试。冷热源及与之相连的导热体可在机械结构上保持同轴,冷侧固定,热侧可在轴向移动。铝合金导热体和试样放置部分外侧布置防辐射层。温度数据采集仪、温度传感器和连接导线外加防辐射层,采集仪由太阳能电池板供电。热源和辐射制冷板冷源能在太空环境中长期稳定工作,航空用铝合金材料的使用保证了系统能适应太空环境,防辐射层隔绝了测试系统在太空环境中的辐射散热。(The invention discloses a steady-state testing system and method for heat conductivity and interface thermal resistance of a radiation heat dissipation correction type aviation background material. The device comprises a germanium solar absorption plate heat source, a radiation refrigeration plate cold source, a temperature testing system, a data acquisition system and the like. The heat source and the cold source are both connected with a section of cylindrical aviation aluminum alloy material, and the high-precision temperature sensor is laterally arranged on the aluminum alloy material and used for temperature testing. The cold and heat sources and the heat conductor connected with the cold and heat sources can be kept coaxial on the mechanical structure, the cold side is fixed, and the hot side can move in the axial direction. And radiation protection layers are arranged on the outer sides of the aluminum alloy heat conductor and the sample placing part. The temperature data acquisition instrument, the temperature sensor and the connecting wire are additionally provided with a radiation-proof layer, and the acquisition instrument is powered by a solar cell panel. The heat source and the cold source of the radiation refrigeration plate can stably work in the space environment for a long time, the use of the aluminum alloy material for aviation ensures that the system can adapt to the space environment, and the radiation layer isolates the radiation heat dissipation of the test system in the space environment.)

一种辐射散热修正型航空背景材料的导热系数及界面热阻的 稳态测试系统及方法

技术领域

本发明涉及太空环境中材料热物性稳态测试领域，尤其涉及一种能满足太空环境中材料导热系数及界面热阻的稳态测试系统及方法。

背景技术

随着航空航天技术的快速发展，人类在外太空的活动会日益增多。人类在外太空的活动离不开必须的航天设备以及各种设备组成的系统。这些设备及系统处在太空中的高真空、微重力环境下，为保证其正常工作，需要对其进行热控制及热管理。这些设备的冷热源间存在各种固体材料的相互接触，其热阻网络由各材料的体热阻以及相邻材料间的界面热阻组成。因此，要完整了解航天设备中散热情况，进行有效热控制及热管理，航空材料在太空环境中的导热系数及材料间界面热阻是重要参数，对其研究具有重要意义。

目前导热系数及界面热阻主要通过测试的手段获得，其中稳态测试法结果准确性高受到较多关注。但航空材料的热性能多在地面模拟环境下进行测试核算，在太空环境中对材料导热系数及界面热阻进行测试难以实现。研究太空环境下对航空材料导热系数和界面热阻的测试，对人类进一步探索宇宙，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于客服上述现有研究中的缺点和不足，提出一种辐射散热修正型航空背景材料的导热系数及界面热阻的稳态测试系统及方法。测试系统基本原理为稳态法测导热系数和界面热阻，针对太空环境和地面实验室环境的差异做出适应性改变。锗太阳能吸收板作为测试系统的热源，辐射制冷板作为测试系统的冷源，两者共同工作为测试系统提供了稳定温差。为应对太空环境温度变化大(-200–200℃)、微重力、真空的特点，采用机械性功能和防腐蚀性能优秀、导热性能良好的航空用铝合金材料作为冷热源与待测试样间热导体并作为热流计。在太空环境中，热辐射是唯一的散热方式，在测试部分加装防辐射板可为隔绝稳态测试系统测试部分的周向散热。将待测样品置于冷热源两侧的铝合金间，稳定后可在其内部获得一维温度分布。通过在铝合金制热流计和试样内部布置高精度热电阻，可以获得两者内部温度分布情况，通过后续计算得到试样导热系数和两层试样间接触界面热阻。

本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种辐射散热修正型航空背景材料的导热系数及界面热阻的稳态测试系统及方法。其测试系统由热源、冷源、温度测试系统、数据采集系统等组成。热源为太阳能吸收板，能在太空环境中稳定工作。冷源为辐射制冷板，冷源在太空环境中提供低于环境温度恒定值的稳定温度。热源和冷源均与一段圆柱形航空用铝合金材料相连，铝合金材料上侧向布置高精度温度传感器，作为热流计。待测材料也加工成与铝合金导热体等直径的圆柱体，侧向同样布置温度测点，温度数据由数据采集仪采集。冷热源及与之相连的热流计在机械结构上保持同轴，冷侧位置固定，热侧可在轴向移动一定距离，用于测试不同厚度的试样。铝合金导热体和试样放置部分外侧布置防辐射层，辐射层由可分离的两部分构成，靠近冷侧可延轴向移动。数据采集仪、温度传感器和连接导线外加防辐射层，数据采集仪由太阳能电池板供电。

所述的辐射散热修正型航空背景材料的导热系数及界面热阻的稳态测试系统主要操作步骤如下：

S1：打开防辐射层，将热源及热侧导热体向远离冷源方向移动一定距离；

S2：将待测试样置于两导热体之间，将热源及热侧侧导热体向靠近冷源方向移动到与试样相互接触，关闭防辐射层；

S3：待系统温度分布稳定后，记录数据采集仪上的温度数据；

S4：根据傅里叶定律，导热体内热流密度q为：

可以计算冷侧和热侧导热体内的热流密度q₁和q₂，取其平均值：

即可得到热源与冷源间一维稳态导热的热流密度。其中，λ_Al为铝合金材料的导热系数，ΔT_Al为铝合金导热体相邻测温点的温差，Δx_Al为铝合金导热体相邻测温点间的距离；

S5：根据傅里叶定律，待测试样导热系数λ_sam为：

其中，ΔT_sam为待测试样相邻测温点的温差，Δx_sam为待测试样相邻测温点间的距离；

S6：放置两堆叠试样测试时，根据稳态后待测试样内部轴向一维温度分布，可以外推接触界面热侧试样温度T_h和冷侧试样温度T_c,接触界面热阻R_c为：

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)考虑了太空环境与普通实验室环境的差异，使用锗太阳能吸收板作为热源，辐射制冷板作为冷源，测试系统冷热源能在太空中稳定工作；

(2)考虑了太空环境温度变化大、高真空、微重力的特点，采用航空用铝合金材料作为测试系统热流计部分材料；

(3)防辐射层的设计隔绝了太空环境中唯一的散热方式，测试系统冷热源间的一维稳态导热得到保证；

(4)本测试系统能在太空环境同时得到被测材料导热系数和接触界面热阻。

附图说明

图1为一种辐射散热修正型航空背景材料的导热系数及界面热阻的稳态测试系统的结构示意图。

图2为实施例中以钛合金作为测试材料的温度分布示意图。

附图中，各部件的列表如下：

1：锗太阳能吸收板热源； 2:热侧铝合金热流计；

3：防辐射层； 4：试样；

5：冷侧铝合金热流计； 6：辐射制冷板冷源；

7：太阳能电池； 8：数据采集仪；

9：温度传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步详细地说明。

如图1所示，本发明辐射散热修正型航空背景材料的导热系数及界面热阻的稳态测试系统，由锗太阳能吸收板热源1、热侧铝合金热流计2、防辐射层3、冷侧铝合金热流计5、辐射制冷板冷源6、太阳能电池7、数据采集仪8、温度传感器9组成。热侧铝合金导热体2和冷侧铝合金导热体5，在结构上同轴且锗太阳能吸收板热源1和热侧铝合金热流计2可延轴向移动。锗太阳能吸收板热源1和辐射制冷板冷源6共同工作，在热侧铝合金热流计2、冷侧铝合金热流计5以及试样4间形成温度梯度，防辐射层3隔绝了圆柱状导热体以及试样的周向散热，在系统传热稳定后，冷热源间形成一维稳态传热。热侧铝合金热流计2、冷侧铝合金热流计5、试样4侧向布置温度传感器9，温度数据由数据采集仪8获取。数据采集仪8由太阳能电池7供应。

图2是以钛合金作为测试材料，锗太阳能吸收板热源1温度为400K,辐射制冷板冷源6温度为300K情况下，系统测试部分稳态后的温度分布情况模拟结果。结果表明热侧铝合金热流计2、试样和冷侧铝合金热流计5内温度一维分布，满足本发明中测试系统的要求。

本发明的工作过程如下：

S1：打开防辐射层3，将锗太阳能吸收板热源1及热侧铝合金热流计2向远离冷源方向移动一定距离；

S2：将单层待测测试样4置于侧铝合金热流计2和冷侧铝合金热流计5之间，将锗太阳能吸收板热源1及热侧铝合金热流计2向靠近冷源方向移动至与试样4相互接触，关闭防辐射层3；

S3：待系统温度分布稳定后，记录数据采集仪8上采集得到的的温度传感器9测得的温度数据；根据式(1)～(3)可以计算试样的导热系数λ_sam；

S4：重复S1和S2，将两层待测试样4置于侧铝合金热流计2和冷侧铝合金热流计5之间，待系统温度分布稳定后，记录数据采集仪8上采集得到的的温度传感器9测得的温度数据；根据式(4)可以计算试样间的界面热阻R_c。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述实施例序号仅仅用于描述，不代表实施例的优劣。上述实施例仅为本发明的较佳实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何在本发明的精神和原则之内，所作的修改、替代、组合、简化、改进等，都包含在本发明的保护范围之内。