Wärmeleiteranalysatoren in Anwendungen im Bereich der Ultrahochtemperatur-Isolierkeramik und Verbundwerkstoffe stehen vor der dreifachen Herausforderung der technischen Anpassung, der Materialeigenschaften und der Messumgebung und erfordern eine präzise Prüfung durch multidisziplinäre Zusammenarbeit.
Herausforderungen der technischen Anpassung
Der Wärmeleitfähigkeitsbereich von Ultrahochtemperaturmaterialien (z. B. ZrC, HfC-basierte Verbundstoffe) ist groß (0,1-20W/m·K), und die herkömmliche Einzeltechnologie ist schwierig, den gesamten Bereich abzudecken. Die Laserblitzmethode (LFA) ist zwar für mittlere und hohe Wärmeleitstoffe geeignet, ist aber anfällig für thermische Strahlungsstörungen bei der Messung von Keramiken mit niedriger Wärmeleitfähigkeit (z. B. Aluminiumfaserverstärker); Die Hotline-Methode stellt hohe Anforderungen an die Kontaktstabilität von pulverförmigen oder ungleichmäßigen Materialien wie 3D-gedruckter poröser Keramik dar, was zu Datenschwankungen von über 15% führt. Darüber hinaus ist die Temperaturobergrenze der bestehenden Geräte im Allgemeinen unter 1800 ° C, während die Ultrahochtemperaturkeramik bei mehr als 2000 ° C betrieben wird, muss ein hochtemperaturbeständiger Sensor mit einer Vakuum- / Inertgaskomposit-Prüfkammer entwickelt werden, um eine Störung der Messergebnisse durch Materialoxidation zu vermeiden.
Herausforderungen der Materialeigenschaften
Die heterogenen Wärmeleiteigenschaften von Ultrahochtemperaturkeramik sind bemerkenswert. Zum Beispiel kann die Wärmeleitfähigkeit von Kohlefaserverstärkten SiC-Verbundstoffen entlang der Faserrichtung bis zu 80W/m·K erreichen und die vertikale Richtung nur 15W/m·K, herkömmliche eindimensionale Messmethoden können die dreidimensionale Wärmestromverteilung nicht erfassen. Gleichzeitig können Mikrorisse, Poren und andere Mängel im Material eine lokale Mutation des Wärmewiderstands auslösen, was zu einem Messfehler von mehr als 20% bei der Stabilitätsmethode führt. Für gradientfunktionelle Materialien (z. B. Metall-Keramik-Schichtkomposite) ist ein dynamisches Wärmeleitmodell zur Korrektur des Grenzeffekts in Kombination mit einer Infrarot-Wärmebildgebung und einer Simulation mit Endelementen erforderlich.
Messung der Umweltherausforderungen
Bei Ultra-Hochtemperatur-Tests kann die hohe Temperaturinteraktion des Materials mit dem Sensor den Kontaktwärmewiderstand ändern. Beispielsweise kriechen Platin-Rhodium-Thermoelektrode bei über 1600 °C, was zu einem Rückgang des Kontaktdrucks führt, wodurch die Messwerte der Wärmeströmung niedrig sind. Darüber hinaus wird die Oxidationsumgebung (wie Luftofentest) die Oberfläche des Materials zu einer glasförmigen Oxidschicht führen, deren Wärmeleitfähigkeit mehr als dreimal so hoch ist, dass die Oxidschichtdicke durch in-situ-Röntgendiffraktion analysiert und ein dynamisches Zusammenhängemodell "Komponente-Struktur-Wärmeleitfähigkeit" erstellt werden muss. Derzeit kann nur der Plasma-Laser-Test mit Bogenheizung den Hitzeschlag im Hochschallluftstrom teilweise simulieren, aber die Gerätekosten übersteigen zehn Millionen Yuan, was seine technischen Anwendungen einschränkt.