Os analisadores de condução térmica enfrentam o triplo desafio da adaptabilidade técnica, das propriedades dos materiais e do ambiente de medição nas aplicações de cerâmica de isolamento ultra-alta temperatura e de materiais compostos, que exigem uma detecção precisa através de avanços colaborativos multidisciplinares.
Desafios de adaptação tecnológica
A gama de condutividade térmica de materiais ultra-altas temperaturas (como ZrC, compostos baseados em HfC) é grande (0,1-20W / m · K), e a tecnologia única tradicional é difícil de cobrir toda a gama. Embora aplicável a materiais condutores térmicos médios e altos, o método de flash a laser (LFA) é vulnerável à interferência da radiação térmica durante a medição de cerâmicas de baixa condutividade térmica, como reforços de fibra de óxido de alumínio; Os métodos de linha quente exigem alta estabilidade de contato para materiais em pó ou não uniformes, como cerâmica porosa impressa em 3D, resultando em flutuações de dados superiores a 15%. Além disso, o limite máximo de temperatura do equipamento existente é geralmente inferior a 1800 ° C, e quando a cerâmica ultra-alta temperatura está em serviço acima de 2000 ° C, é necessário desenvolver sensores resistentes a altas temperaturas e câmaras de teste compostas de vácuo / gás inerte para evitar a interferência da oxidação do material nos resultados de medição.
Desafios das propriedades dos materiais
As propriedades de condutividade térmica heterosexual da cerâmica ultra-alta temperatura são significativas. Por exemplo, o fator de condutividade térmica do composto SiC reforçado com fibra de carbono ao longo da direção da fibra pode chegar a 80W / m · K e a direção vertical é apenas 15W / m · K, e os métodos de medição unidimensionais tradicionais não podem capturar a distribuição de fluxo de calor tridimensional. Ao mesmo tempo, defeitos como microfissuras e poros no material podem desencadear mutações de resistência térmica locais, levando a um erro de medição de estágio estável superior a 20%. Para materiais funcionais gradientes, como estruturas compostas em camadas metálicas-cerâmicas, é necessário combinar imagens térmicas infravermelhas com simulação de elementos finitos para construir modelos dinâmicos de condução térmica para corrigir o efeito de fronteira.
Medição dos desafios ambientais
Em testes de temperatura ultraalta, a interação de alta temperatura do material com o sensor pode alterar a resistência térmica de contato. Por exemplo, o termopar de platina e ródio se desliza acima de 1600 ° C, o que resulta em uma diminuição da pressão de contato, tornando a medição do fluxo térmico baixa. Além disso, o ambiente de oxidação (como o teste do forno de ar) faz com que a superfície do material forme uma camada de óxido em forma de vidro, cujo coeficiente de condutividade térmica é mais de 3 vezes diferente do matriz, é necessário analisar a espessura da camada de óxido por difração de raios X in situ e estabelecer um modelo de associação dinâmica "componente-estrutura-condutividade térmica". Atualmente, apenas o teste de excitador de plasma de aquecimento de arco pode parcialmente simular o choque térmico no fluxo de ar hipersônico, mas o custo do equipamento excede 10 milhões de yuans, limitando sua aplicação de engenharia.