利用积分球反射法的动态热物性测量装置研制

    热物性数据的测试一般分为稳态法和瞬态法.经典的稳态量热法在温度超过1 000 K时,热平衡时间一般很长,在某些情况下试样还会发生化学反应,环境控制和热计算非常复杂.而脉冲加热瞬态测量法克服了稳态法测量时的许多缺陷,其最主要的优点是可进行多种热物性参数的同时测量,在一个较宽的温度范围内,比热、电阻率、全波长半球发射率及法向光谱发射率、焓等均可在加热和冷却过程中测量,并且脉冲加热技术并不局限于固相测量,还可以进行固液两相交界处的测量.因此自20世纪70年代以来脉冲加热瞬态测量方法的工程应用取得了很大进展^[1~9].目前世界上一些发达国家先后建立了各自的脉冲加热瞬态热物性测量装置^[1].我国在脉冲加热瞬态热物性测试领域尚属空白,无法实现同一装置测量多种热物性数据.为此,本文在已有的多光谱高温计、多波长测温理论及应用研究成果基础上,研制了利用积分球反射法的脉冲加热瞬态热物性测量装置.

    1　测试原理

    早期的脉冲加热技术基本上都采用黑体法,黑体法测得的热物性数据被国际上公认为精度最高^[1,2].随着脉冲加热技术的发展,黑体法暴露出很多的弊端.主要原因在于黑体法要求必须是管状试样,但是在自然界中以天然管状形式存在的金属材料很少,如果要加工的话,难度很大.因此,近年来出现了两种新的脉冲加热测试方法:积分球反射法和激光偏振法^[6~9].这两种方法要求的试样比较容易制备,并且测得的试样的热物性数据精度也可以满足要求.本文采用了积分球发射法的脉冲加热技术测量材料的热物性。

    图1是利用积分球反射法的脉冲加热技术的测量原理图.一个带状试样被亚秒级的脉冲大电流(1 000~2 000A)通电加热.在试验过程中,一台单色高速高温计瞄准试样,测定试样的辐射温度,一束经过调制的、波长为0·632 8μm的激光通过积分球打到试样的背面反射,积分球内的探测器测量这个反射光的光强.试样上的电压降、通过试样的电流、高速高温计的输出信号以及探测器的响应信号一起馈送到高速数据采集系统.

    积分球工作在比较状态下,被测带状试样与参考试样可近似的认为是理想漫反射体(朗伯特体),球内壁上喷涂光谱反射率为ρ_ω且为漫反射性好的涂层.一束经过调制的辐射通量为φ的激光经图1所示的光路依次垂直投射在反射率为ρ_r的参考试样和反射率为ρ_s的被测试样上.反射后的光束在球壁上的辐照度与两试样的反射率有如下关系: