[发明专利]一种基于LIF检测的材料表面催化系数实验室检测装置及评价方法

说明书

本发明公开了一种基于LIF检测的材料表面催化系数实验室检测装置及评价方法，所述检测装置包括激光诱导源及激光入射调节光路、中空水冷不锈钢腔体、高功率光纤耦合激光器、能量计、射频电源、荧光成像光路及采集装置、双比色高温计和同步触发装置。本发明在射频电感耦合等离子体中，利用激光诱导荧光光谱诊断方法对材料表面氧原子浓度、温度等信息进行非接触、高精度的同步原位测量，结合原子摩尔分数梯度理论，直接得到材料表面氧原子的催化系数，实现不同环境参数下材料表面催化系数的非接触式精确、原位的表征与评价。

技术领域

本发明涉及一种基于激光诱导荧光(LIF)检测的材料表面催化系数实验室检测装置及评价方法，尤其涉及一种利用激光诱导荧光光谱诊断实现高温材料表面催化特性的非接触式测试与评价的检测装置及方法。

背景技术

高超声速飞行器在服役过程中所承受的热载荷对其热防护系统具有重要的影响，甚至会成为飞行安全的巨大隐患。当飞行器进入到地球致密的大气层中时，飞行器前端产生的激波会在防热材料表面产生高焓热流，导致飞行器表面温度急剧升高，特别是对于鼻锥或翼前缘等部件，局部温度可能会超过1600℃。高焓热流的主要来源之一是异相原子在材料表面发生的催化复合反应，即激波中的解离原子在材料表面发生复合反应形成分子，离开表面的同时释放化学反应热。对于地球大气环境来说，氧原子复合生成氧分子是最重要的催化复合反应，其释放的热量对表面总的热载荷可提供很大贡献。一些飞行试验和计算流体力学的计算结果表明，驻点区域完全催化表面的热载荷是完全非催化表面的2～3倍。评价材料表面催化特性的关键参数是表面催化系数γ，其定义为参与催化复合反应的解离原子数目与到达表面的总原子数目的比值。对该系数进行大量的原理性实验研究，对于评价催化复合反应的热贡献是非常重要的。

目前材料表面催化系数主要的评价方法包括能量法和光谱法两种。其中，能量法通常应用于风洞等高焓设备中，并且通过对驻点热流的测量推导出催化系数。因其实验环境参数高度耦合，难以独立精确控制，以及高昂的实验成本，该方法不适合应用于大量的原理性实验研究。

光谱法多用于实验室级别的研究中，光谱法可以直接测量参与催化复合反应的气体原子，进而通过对被测原子的光谱分析获得其浓度分布、温度分布等信息。目前国内外广泛使用的光谱测量方法主要包括发射光谱法和激光诱导荧光光谱法。张幸红等(CN103234956A)在微波设备上利用基于发射光谱测量的光化线强度法，根据催化反应原理和扩散控制方程获得了材料表面氧原子的浓度变化及表面催化系数。该方法只能获得激发态氧原子的相对浓度，且要求被测激发态氧原子必须通过电磁场的激发而来，且激发态氧原子必须通过自发辐射实现去激发。然而在等离子体环境中，激发态氧原子的来源比较复杂，除电磁场激发过程外，粒子之间的碰撞也会导致氧原子的激发或去激发，这就给激发态氧原子发射光谱的测量产生了不确定性。此外，扩散方程中的多个参数都是基于相应的假设条件，而这些假设条件与真实等离子体环境都会存在差异，因此都会对最终的结果造成不确定性。

相比于发射光谱法，激光诱导荧光法检测的是基态氧原子，具有更好的成分选择性。此外，通过氧原子的激光诱导荧光光谱信息可以直接获得氧原子浓度和温度的信息，相比于发射光谱法具有成分选择性好、无需多个假设条件等优势。但是，目前基于激光诱导荧光光谱检测的设备主要是边臂扩散管和电感耦合等离子体炬装置。边臂扩散管中只对ZrB₂-SiC、HfB₂-SiC等陶瓷材料进行了室温至923K的测试，而且催化系数是通过将测量得到的氧原子浓度分布与选定的反应扩散方程匹配而得到的，这就导致催化系数结果的准确性很大程度上取决于反应扩散方程的选取。在电感耦合等离子体炬装置中，研究人员提出了一种原子摩尔分数梯度理论，该理论可以利用激光诱导荧光光谱信息与原子浓度、温度之间的关系，直接通过激光诱导荧光光谱信息计算获得了材料表面的催化系数。然而电感耦合等离子体炬装置属于高焓设备，无法实现环境参数的独立精确控制。因此，上述现有的实验装置或方法都不适于材料催化系数的大量原理性实验研究。

发明内容