碳纤维真空热试验工装加热笼的制作方法

本发明涉及一种用于航天器真空热试验用的工装加热笼，此装置适用于航天器地面热真空试验。

背景技术：

加热笼是航天器太空环境模拟试验中的关键工装，主要作用是模拟卫星在太空环境中的高温和低温变化，以实现对卫星整体特性的评价。

传统的红外加热笼采用镍铬合金金属带涂覆特种高半球发射率黑漆涂层作为加热体，由于线性膨胀，必须在骨架上挂接弹簧，来抵消热试验冷热交变下的带条长度变化，因此，这类加热笼存在着手工工作量大，效率偏低的问题。

航天器真空热试验需要产生红外辐射来模拟太空环境，目前有很多产生红外辐射的装置，如陶瓷红外加热器、石英加热管、卤素加热管等，包括现有加热笼涂覆黑漆的金属带，这些都可以考虑在真空热试验中使用。

碳纤维是一种高发射率的柔性碳材料，具有高比强度、高比模量、电热辐射效率高等突出的电热性能优势，现已广泛应用于民用取暖行业，如地暖、浴霸、电加热器等。在真空热试验应用领域，碳纤维材料的适用性是最佳的，这是因为：

1在高低温环境中的热膨胀系数几乎为零，这恰好能够适应真空环境中冷热交变的条件，无需挂接弹簧，简化了装配过程。

2可直接制成带条状，符合了加热笼带条可弯曲可裁剪易装配的需要，因此相比卤素加热管等无法自由布局的情况，具有极大的装配优势。

3电热转换效率高，远红外辐射效率高达90％。

4再由于碳纤维的近黑体特性，光谱发射率在0.9以上，试验时可免于喷涂黑漆，节省了大量成本。

综上所述，采用碳纤维材料作为加热笼的辐射加热体，无论从装配便利性、热辐射效率提高、降低成本以及复杂温度环境的适应性方面，都具有极大应用潜力。但是，如何采用碳纤维材料支撑合适的加热笼，特别是应用于航天器地面真空热试验中，对本领域来说是急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于航天器真空热试验用的工装装置，加热效率高且稳定，结构简单，加工便捷，安装轻便，免去黑漆喷涂环节，原料的可获得性与经济性均佳，能完美替代目前所用的镍铬加热笼。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

碳纤维真空热试验工装加热笼，包括相对平行竖立设置的两连接杆，两连接杆的上下端分别穿设有与连接杆垂直的铝型材，竖立的两连接杆外侧也分别竖立设置铝型材，连接杆之间的铝型材与外侧的铝型材分别通过直角接头固定形成铝制骨架，以固定两连接杆，两连接杆上分别设置有若干异形件，一连接杆上部设置接线端口，另一连接杆下部同样设置接线端口，异形件与连接杆表面形成弯折空间，起始端连接在接线端口上的碳纤维加热带通过绕制在异形件的弯折空间平行往返布置并终点连接在另一接线端口上，配备电源，将试验电缆与接线端口连接，形成试验电流回路，其中，碳纤维加热带由3K的碳纤维丝编织而成，为多向带状编织，单丝纤维形成自锁式抱合结构。

其中，连接杆上的异形件呈挂钩状，将碳纤维加热带直接挂装到上下连接杆上，保证加热带的宽面与骨架平面同向，形成回路，回路的两端预留接线端口，整体加热带呈平行均匀分布在一个平面。

其中，加热带为碳纤维材料，通过含量5％的高温定型胶和电热丝的复合，并进行高温热处理，使碳纤维加热带既能够适应-180℃至+200℃的温度变化，又能够做到任意弯折而不折断。

其中，骨架为方铝管，将方铝管插入直角接头，接头处打孔用螺钉紧固。

其中，连接杆为聚四氟乙烯板材，长条形。

其中，连接杆通过螺钉直接固定到铝骨架的上下两侧，平行分布。

其中，接线端口采用铜片压接，穿螺钉与铜片上。

其中，碳纤维加热带采用了多向带状编织结构，截面呈扁条状，每米的电阻值在2欧至8欧之间。

其中，碳纤维加热带的光谱发射率在0.91以上。

其中，碳纤维的单丝直径在5-7微米。

本发明与原有的工装相比，无论是电热材料、装配工艺、骨架材料还是连接方式，均与目前所用镍铬合金加热笼完全不同，碳纤维的电热辐射效率高于镍铬合金，经实验测定在3.5A的电流下镍铬合金带自身温度不高于280℃，而碳纤维带则远高于300℃。在真空与高低温环境下(气压低于10^-3帕，温度在-180℃至+200℃变化)通断电，碳纤维加热带没有质损。无论是在人力成本还是物力成本均大幅降低，同时具有极高的电热红外辐射效率。

附图说明

图1是本发明的碳纤维真空热试验工装加热笼中碳纤维加热带的生产流程图。

图2是本发明的碳纤维真空热试验工装加热笼中碳纤维加热带的光谱发射率测试曲线图。

图3是本发明的碳纤维真空热试验工装加热笼中碳纤维加热带负载电流与表面温度变化关系图。

图4是本发明的碳纤维真空热试验工装加热笼的结构示意图。

其中，1、骨架直角接头；2、连接杆；3、接线端口(压接铜片与接线螺钉)；4、平行往返布置的碳纤维加热带；5、铝制骨架；6、连接杆上的异形件。

图5是实验时碳纤维真空热试验工装加热笼通电电流与时间曲线图(右侧纵轴)

图6是实验时碳纤维真空热试验工装加热笼的三条加热带上的时间-温度曲线图

图7是布置在铝板上的四个热流计的时间-温度曲线图。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

本发明中碳纤维加热带的设计过程如下：

1.碳纤维加热带的外型设计

碳纤维的单丝直径在5-7微米，成品碳纤维中的超细碳纤维单丝一般呈束状集合，本发明采用了碳纤维多股丝束带状编织技术，通过特定的碳纤维编织设备对纤维丝束进行多向带状编织，单丝纤维之间通过多向编织形成自锁式抱合结构，纤维丝束之间紧密牢固接触，避免了单丝之间大概率的松散状态，有效保证了碳纤维丝束的结构稳定性，同时通过这种多股带状编织的结构设计可以在结构稳定的同时最大限度保证其电阻在长度方向上的稳定均匀。

2.碳纤维加热带的电阻匹配设计

本发明采取的多股编织带外型结构设计，在保证整体抱合力的同时又可以通过单股丝束量、合股数的灵活调整，灵活设计编织带的整体电阻值，达到灵活调整电阻性能的目的，其中多股编织工艺及碳纤维柔性编织带的电阻调整方案，如表1所示。由表1可见，通过不同K数碳纤维的编织方案优选，可以灵活调整碳纤维柔性加热带的单位长度电阻值，本发明选取了两种编织方案，调整单股纤维量(K数)和编织股数可以设计出7种不同的单位电阻指标，最终的单位长度电阻值可以在2欧姆/米到8欧姆/米之间调整，若需要单位长度上更小的电阻值，也可采用碳纤维多股编织带的并用方式，如此方案设计完全可以满足加热笼的不同辐射功率设计要求。

表1不同K数及编织股数的单位长度电阻设计方案

3.碳纤维加热带的力学特性设计

根据加热笼的装配要求，需要加热带具备一定的韧性和弹性，以适应不同温度下的尺寸变化；同时该加热带需要抵抗装配过程中拐角位置的弯折和扭曲，因此需要在加热带表面进行一定的高温定型处理，以达到保证碳纤维丝束柔性基础的条件下，赋予其一定的力学刚性和韧性。选择了两种韧性不同的高温定型胶、选择涂覆1％、2％、3％、4％、5％、10％六种不同定型胶黏剂含量的碳纤维丝束进行高温处理，形成碳纤维复合加热带样品，通过热处理成型的复合加热带力学特性的测试发现，胶黏剂种类与含量的变化对于加热带的韧性和刚性有着重要的影响，如表2所示。

表2定型剂种类与浓度对碳纤维多股编织柔性加热带的力学特性影响对比

从表2的数据对比可见，定型胶的类型对碳纤维加热带的刚度有较大影响，复合定型胶1随着浓度由低到高的调整整体均出现了毛丝、断丝问题，这对于加热带的装配是不利的。而复合定型胶2随着涂覆浓度的变化，有较大的敏感性，首先低浓度定型胶对于刚性提高的效果不明显，而采用高浓度复合定型胶，尤其是浓度大于5％之后，加热带的刚性大幅度提高，在反复弯折过程中极易出现断丝、毛丝甚至整体折断现象。因此在反复优选方案后，本发明选择3-4％浓度适中的复合定型胶2(电阻丝复合高温胶粘剂)作为复合定型胶黏剂对其进行高温定型，以保证其整体韧性与刚性兼备的力学性能。

根据真空热试验对于加热带条外形、电阻特性以及力学特性的设计，利用专用碳纤维多股编织设备及高温定型设备，实现对碳纤维加热带的连续化生产。其主要生产流程如图2所示。

本发明中碳纤维加热带的测试过程如下：

1光谱发射率测试

鉴于加热笼需要模拟真空环境下的热交换过程，而在真空环境中主要以热辐射作为主要的传热方式。为此，进行了加热带的真空环境光谱发射率测试，其测试波段在2500-15000nm范围内，测试结果如图3所示。通过测试结果分析可见，碳纤维多股编织带在8000nm以上波段范围的单色发射率基本在0.9以上，而在8000-15000nm范围内的单色发射率也保持在0.85以上，最低单色发射率也高达0.84。通过计算在有效测试波段内其总发射率可达到0.91。因此采用本发明的碳纤维加热带在真空测试条件下具有极高的红外辐射效率，红外辐射加热效果可完全达到热试验使用要求。

2电性能测试

加热带电性能是加热笼主要性能指标之一，为此，本发明进行了负载电流变化条件下的辐射加热带表面温度的变化考察测试。测试结果如图4所示。从图中可以看出，随着碳纤维多股编织带加载电流升高，其表面温度也呈现线性升高趋势，当加载电流达4安培以上时，表面温度可在300℃以上，这说明碳纤维多股编织带具有较高热效率，可有效实现对空间环境的热交换。

本发明中碳纤维加热带的关键性能指标：

表3碳纤维多股编织辐射加热带关键性能指标

碳纤维加热笼的装配：

本发明的碳纤维加热笼结构示意图如图4所示，其中，碳纤维真空热试验工装加热笼，包括相对平行竖立设置的两连接杆2，两连接杆2的上下端分别穿设有与连接杆2垂直的铝型材，竖立的两连接杆2外侧也分别竖立设置铝型材，连接杆之间的铝型材与外侧的铝型材分别通过直角接头1固定形成铝制骨架5，以固定两连接杆2，两连接杆2上分别设置有若干异形件6，一连接杆2上部设置接线端口3，另一连接杆下部同样设置接线端口3，异形件6与连接杆2表面形成弯折空间，起始端连接在接线端口3上的碳纤维加热带4通过绕制在异形件6的弯折空间平行往返布置并终点连接在另一接线端口3上，配备电源，将试验电缆与接线端口3连接，形成试验电流回路，其中，碳纤维加热带4由3K的碳纤维丝编织而成，为多向带状编织，单丝纤维形成自锁式抱合结构。

其装配步骤如下：

1.根据热设计输入，确定带间距，在连接杆2上加工相对应的连接杆上的异型件6。

2.组装骨架，将骨架直角接头1与铝制骨架5连接，再将连接杆2固定到铝制骨架5上。

3.开始手工挂接碳纤维加热带4，按照电源能力需求可布置多条电流回路，满足各种尺寸的试验件加热需求。

4.将4碳纤维加热带的两端固定到接线端口3。

5.配备电源装置，将试验电缆与接线端口3连接，形成试验电流回路。

6.待电装完毕后，将碳纤维加热笼置入真空容器内，固定于指定位置，即就绪，等待试验开始。

碳纤维加热笼的使用：

1试制一片碳纤维加热笼

划分三条回路，其中最左侧的分布较密，另外两条分布较稀。在距离加热笼150mm的位置放置一块涂黑漆的铝板作为试验件，铝板上布置了测温点和热流计，碳纤维带条上也布置了测温点。实验在真空容器内进行，电流从0.5A开始，每隔一段时间增加电流0.5A，直至3.5A为止，采集这期间的测量数据用于分析，电流随时间的变化曲线如图5所示。整个实验进行顺利，没有出现短路或局部过热等问题。

2实验结果分析

三条碳纤维带上均布置了测温点，测得温度在不同电流下带条温度随时间的曲线见图6。由图6可知，三条回路的带条温度随电流呈线性变化，与图5的电流曲线保持高度一致。由于热试验所用的测温传感器量程有限，所以在电流变为3A时，带条温度高于300℃而超出量程，可判断鉴于碳纤维优良的电热转换效率，可在未来的400℃高温实验领域有应用价值。

热流计在铝板上共布置了四个，其中第一个回路布置了三个，第二个回路布置了一个，测出的温度曲线如图7所示。

由于本次试验所用的铝板较大，距离较远，同时带间距过大，所以铝板温度不够高，这里更多的考虑热流计的温度。将热流计的数据使用斯忒潘-玻尔兹曼公式计算可得热流密度，取最大电流3.5A时的结果，最大热流密度达到了1040.91W/m²。由此可知，在带间距30mm的情况下，通3.5A电流，热流密度即达到了1千瓦以上，说明碳纤维材质作为电热材料高效的红外辐射能力，完全可以满足热试验的热流密度要求。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。