[发明专利]基于发射光谱的防热材料催化特性检测方法与测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及材料检测技术领域，具体涉及一种基于发射光谱的防热材料催化特性检测方法与测试装置。

背景技术

高超声速飞行器与以往再入飞行器不同，以跨大气层飞行器、滑翔飞行器、跳跃式导弹、高超声速巡航导弹为代表的新一代飞行器将在40km至80km高度范围内长时间飞行，高焓高热流的极端服役环境使飞行器头部形成强烈的激波，空气将被激波加热到非常高的温度，导致空气分子的振动激发、解离、甚至电离，使得高超声速飞行器周围气流处于化学非平衡状态，并导致机体表面材料发生复杂的物理、化学反应。化学非平衡流场状态、高温气体效应等气动物理效应使得超高声速飞行器防热材料与服役环境之间存在复杂的耦合作用，在这些因素耦合作用下，飞行器表面气动热载荷不仅受到飞行状态和环境的影响，同时也受到飞行器防热材料表面对气相原子复合速率控制的影响(即“表面催化效应”的影响)。目前的理论分析方法和数值模拟手段无法准确获得防热材料表面催化特性，因此在当前的高超声速飞行器气动热载荷的预测只能采用国外相关飞行试验数据或人为假定表面催化复合速率常数(非催化或完全催化)，致使整个计算结果只能提供热载荷的范围，而无法确定其具体参数的局面，这对飞行器热防护系统的最优化设计带来较大的困难。如何充分认防热材料与服役环境的耦合作用机制，尤其是对防热材料表面催化效应进行测试、建模，进而建立科学的材料表面催化性能表征和评价方法，是有效提高热防护设计能力、指导防热材料研制和应用的前提。

飞行验证试验与地面模拟试验技术是进行防热材料表面催化特性评价与表征，分析高超声速气动热载荷和热防护设计最为重要的手段，然而飞行试验的高成本和低可靠性严重制约着防热材料表面催化特性的评价，基于风洞设备的材料表面催化特性评价技术存在运行成本高、状态参数不能独立变化、可调范围小、需流场重构干扰因素多等问题，要开展大规模的防热材料表面催化特性评价研究存在较大难度。需要根据环境特征和材料响应的物理本质，建立新型实验室模拟评价方法和测试平台，用于防热材料表面催化特性的原理性研究。

从催化机理出发，通过测量材料表面氧原子的浓度变化以表征材料表面催化特性是实验室模拟与评价方法的基础，由于发射光谱检测技术以其优异的性能已成为各种物质常规分析普遍采用的检测手段。因此，基于发生光谱的材料表面催化特性检测方法成为实验室模拟评价的主要途径。本发明正式基于此，利用发射光谱诊断技术，基于催化原理和扩散方程，提供了一种防热材料表面催化特性检测方法及响应的测试装置。

发明内容

本发明提供了一种基于发射光谱的防热材料催化特性检测方法与测试装置，通过探测等离子环境下防热材料表面轴向的发射特征光谱，获取轴向氧原子的浓度的时域与空域变化规律，基于扩散方程得到材料表面的催化特性的检测方法。

本发明的测试装置是这样实现的：一种基于发射光谱的防热材料催化特性测试装置，包括等离子电源、三螺钉调配器、波导传输装置、进气阀门、红外测温窗口、双比色测温仪、发射活塞、感应加热电源、冷却水入口、冷却水出口、反应腔、电阻真空计、真空法兰、感应线圈、试样、氧化锆托架、单轴电动步机、长焦聚焦透镜、短焦聚焦透镜、截止滤光片、光阑、光纤支架、镜架、光纤、光谱仪和计算机，波导传输装置的一端与等离子电源连接，波导传输装置的另一端与谐振腔连接，通过控制电源输出功率、三螺钉调配器及发射活塞调节输出能量进而调节等离子强度，反应腔内设有氧化锆托架，试样放置在氧化锆托架上，反应腔底部与真空法兰连接，反应腔内的压力由进气、真空子系统进行动态调节并通过电阻真空计进行实时监控，集中由计算机进行控制和存储，光谱仪的输出端与电荷耦合器件CCD相机相连并通过数据线与计算机连接控制，光谱仪前端的入射狭缝通过光纤适配器与光纤的一端相连，光纤的另一端与光纤支架连接，试样表面的发射荧光通过长焦聚焦透镜、短焦聚焦透镜、截止滤光片和光阑汇聚在至光纤的端面上，长焦聚焦透镜、短焦聚焦透镜、截止滤光片和光阑与试样中心位于同一水平线上，长焦聚焦透镜、短焦聚焦透镜、截止滤光片和光阑通过镜架固定与光学导轨上，光学导轨由单轴电动步机驱动，氧气氩气由气瓶经减压阀、截止阀、电磁阀、流量计与进气阀门相连，反应腔上端设有红外测温窗口，双比色测温仪透过红外测温窗口测试轴线下方试样的表面温度，温度数据传输至计算机并存储，试样外侧套有感应线圈，感应线圈与感应加热电源相连，由计算机控制，感应线圈内通入冷却循环水，冷却循环水从冷却水入口进入，经冷却水出口进入制冷机。