一种柔性材料加热器及加热测试试验方法与流程

本发明属于飞行器结构热强度试验领域，具体涉及柔性加热材料的加热测试试验方法。

背景技术：

飞行器地面热强度试验中，加热技术是其中的关键技术，目前常用的加热技术有石英灯管辐射加热、电阻丝接触加热、高温燃气对流加热等加热技术。其中石英灯管辐射加热技术的特点是可控性好、温升快、温度高。电阻丝接触式加热具有加热温度高、性能稳定等特点。高温燃气对流加热温度高，温升快。其中石英灯管辐射加热温度最高可以达到1200℃，温升最高可以达到100℃/s。电阻丝接触加热最高温度可以达到1000℃，这种加热方法温升较慢，一般情况下温升不超过10℃/s。高温燃气对流加热方法是使用温度最高的，温升最快的一种加热方法，其加热的最高温度为1800℃，瞬间加热。目前这几种加热方法使用范围很广，但是有很多缺点。比如石英灯管最大温升目前到1200℃，且加热试验件的温度场并不是很均匀。接触式加热器目前的最高温度为1000℃，温度再高电热丝容易氧化熔断，也同样存在加热试验件温度场不均匀。高温燃气对流加热方法可控性较差。柔性材料加热方法是目前一种新的加热方法，比如石墨纤维加热，该种方法最高温度可以达到2000℃，目前在试验室实现了温升率57℃/s，由于其致密的纤维编制，提供的温度场均匀。

一般柔性加热材料的电极设计比较简单，对于碳纤维布而言，一般的电极设计可以进行加热，但是由于接触不良会引起局部电流过大或者过小的情况发生，最终导致碳纤维布过早高温烧坏而无法继续加热。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种改进型的柔性加热材料电极，测试碳纤维材料在改进电极条件下的加热情况以及寿命情况。

技术方案：

一种柔性材料加热器，由柔性加热体和具有自锁结构的铜电极组成，铜电极安装于柔性加热体两相对端，柔性加热体由导电柔性材料制备。

优选的，柔性加热体采用布状的碳纤维，所形成的柔性材料加热器为碳纤维加热器。

优选的，铜电极包括上、下两部分，上、下两部分之间互相啮合且可拆卸连接，位于上部的铜电极设置有接线端，柔性加热体端部由铜电极上、下两部分之间的啮合面夹住。具有自锁结构的铜电极采用金属材料热膨胀的物理特性，设计了凹凸“自锁”结构，并设计了适合特定材料厚度间隙的电极方式进行电流传导。该方式极大的提高了柔性加热体的温度均匀性以及使用寿命。

使用柔性加热器进行加热测试的试验方法，包括如下步骤：

(1)在柔性加热体两端安装铜电极，将铜电极连接电源，形成柔性材料加热器；(2)将柔性材料加热器和热结构试验件放入充满氮气的密封箱；(3)将柔性材料加热器铺设在热结构试验件的上表面，保持面接触，对柔性材料加热器通电实现热结构试验件加热；(4)测试热结构试验件的温度场分布。该种方法通过将柔性加热器铺设在热结构试验件表面，给柔性加热器通电实现热结构试验件加热。在整个加热过程中，为了防止高温环境柔性加热器氧化严重，设计了将柔性加热器放置在密封箱中通氮气降低氧化程度。通过这些方法保证热结构试验件热强度试验的高可靠性。

优选的，在柔性材料加热器的上表面覆盖有绝缘材料，使得柔性材料加热器下表面与热结构试验件上表面有紧密的面接触。

优选的，步骤(3)中使用温度采集板，温度采集板由耐高温绝缘材料制备，在温度采集板上布置温度采集孔，通过在温度采集孔内设置温度传感器对柔性加热体进行温度测量。

优选的，在柔性材料加热器加热过程中，观察柔性加热体以及铜电极变化，观察铜电极通电电流是否均匀，是否会引起柔性加热体电流不均匀与放电现象，并通过温度测量分析整个柔性加热体温度场是否均匀。

优选的，其特征在于，柔性加热体采用布状的碳纤维时，所形成的碳纤维加热器对热结构试验件的加热温度为1300℃。

优选的，在温度采集板上设置多排温度采集孔，其中一排温度采集孔与温度采集板的轴线重合且为通孔，该温度采集板轴线与铜电极所在边垂直，其余排温度采集孔以该轴线为对称轴等距排列在该轴线两侧且为盲孔，盲孔孔底距离温度采集板底面距离自温度采集板中部向两边依次增大，同一排的盲孔孔底距离温度采集板底面距离相等。温度采集孔是特别针对柔性加热体材料使用，由于柔性体材料加热是采用面面接触热传导，所以放置在试验件表面的温度传感器采集的温度会出现较大的偏差，尤其是瞬态温度场。所以需要设计一种温度采集板采集柔性加热体的温度。

优选的，温度采集板由氧化铝纤维板制备。

有益效果：

1)柔性加热材料的可适应性、可设计性好，可以适应平面试验件、曲面试验件；

2)加热温度场均匀，并且可以实现超过1200℃的高温试验；

3)改进后的铜电极可以使得通过柔性加热体的电流均匀，不会出现加热体具体电流过大，导致电热体烧毁情形；

4)柔性材料加热器可以同时进行高温、高压测试，比如碳纤维可以实现1300℃高温、高压测试。

5)该测试方法可以适应复杂曲面的加热、加压，这是目前通用的辐射、对流以及一般面面热传导方法无法做到的。

附图说明

图1为柔性材料加热器的三维图。

图2温度采集板位置示意图。

图3为温度采集板的结构示意图。

图4为图3中h-h截面图。

图5为图3中i-i截面图。

图6为图3中j-j截面图。

图7为图3中k-k截面图。

图8为柔性加热器试验系统结构示意图。

图中，1-铜电极，2-接线端，3-连接部位，4-啮合面，5-碳纤维布，6-温度采集板，7-温度采集孔。

具体实施方式

通过具体实施例进一步阐述发明的技术方案。

一种柔性材料加热器，由柔性加热体和具有自锁结构的铜电极1组成，铜电极1安装于柔性加热体两相对端，柔性加热体由导电柔性材料制备。本实施例中柔性加热体采用布状的碳纤维，所形成的柔性材料加热器为碳纤维加热器。铜电极包括上、下两部分，上、下两部分之间通过互相配合的突起和凹槽互相啮合且通过螺栓可拆卸连接，位于上部的铜电极设置有接线端2，柔性加热体端部由铜电极上、下两部分之间的啮合面夹住。

柔性加热器的加热测试试验方法，包括如下步骤：

(1)在柔性加热材料两端安装铜电极1，将两个铜电极1连接电源，形成柔性材料加热器；

(2)将柔性材料加热器和热结构试验件放入充满氮气的密封箱；

(3)将柔性材料加热器铺设在热结构试验件的上表面，保持面接触，对柔性材料加热器通电实现热结构试验件加热；

(4)测试热结构试验件的温度场分布。

在碳纤维加热器的上表面覆盖有绝缘材料，使得石墨纤维加热器下表面与热结构试验件上表面有紧密的面接触。

参阅图8，这个试验系统包括碳纤维加热器、充气系统、电源系统、数据采集系统、控制系统、密封箱、氧化铝纤维板试验件。碳纤维加热器和氧化铝纤维板试验件放置在密封箱中，其中氧化铝纤维板的有效尺寸为200mm×

200mm，放置在碳纤维加热器的下表面。碳纤维的上表面放置氧化铝纤维板制成的温度采集板，在温度采集板上设置多排温度采集孔，其中一排温度采集孔与温度采集板的轴线重合且为通孔，该温度采集板轴线与铜电极所在边垂直，其余排温度采集孔以该轴线为对称轴等距排列在该轴线两侧且为盲孔，盲孔孔底距离温度采集板底面距离自温度采集板中部向两边依次增大，同一排的盲孔孔底距离温度采集板底面距离相等。本实施例中温度采集孔共9行5列，位于中部的温度采集孔为第一行，为打贯通孔(图4)，自温度采集板中部向两边数：第二行孔距离底面2mm(图5)，第三行孔距离底面4mm(图6)，第四行孔距离底面6mm(图7)，第五行孔距离底面8mm。正式测试时，温度采集板放置在柔性加热器上表面，采集板每个孔里安装温度传感器。通过每个孔内的温度传感器评估柔性加热体的温度变化情况。

在温度采集板上安装25个热电偶，25个热电偶均在碳纤维布的有效加热尺寸内。碳纤维布的有效加热尺寸为200mm×200mm。将碳纤维加热器以及热结构试验件放置在密封箱中。

将整个热结构碳纤维测试系统安装好后，开始进行热结构碳纤维加热器测试试验。试验开始时，给密封箱内通氮气，待氮气充满整个密封箱后开始进行试验测试。

测试试验开始时，电源提供给碳纤维电压28.5v，碳纤维温度持续上升，当温度达到1300℃时，停止加热，开始进行温度控制，将温度控制在1200℃。同时采集温度采集板上其他孔的温度。

测试完成后，热电偶温度数据表明，这种加热方法与传统的石英灯管相比，碳纤维加热器温度场分布均匀，温升较快，在超过1000℃后，氮气环境降低了碳纤维的氧化速度。