1.本发明涉及热导率测试技术领域，更具体地说，它涉及一种深空低温环境下材料热导率测试装置。
背景技术：2.随着我国航空探索技术的发展，航天器和仪器的环境温度越来越低，如月球背面浅层月壤最低温度达到了78k，通常情况下航空航天任务中的备选材料仅知晓其常温特性，但是材料在不同环境下的材料特性会存在差异及不确定性。
3.目前，热导率测试方法有瞬态法和稳态法两大分类，纵向热量法属于稳态测试方法，在实验时需要尽可能避免样品与外界的热交换，同时也要保证热量均匀稳定的通过样品。然而，现有测试装置中的样品夹持装置设计比较简单，通常为胶接或者加工一个与样品尺寸一致的凹槽，直接胶接不方便更换样品，而以凹槽放置会对样品热导率的测量精度造成影响。
4.因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的深空低温环境下材料热导率测试装置是我们目前急需解决的问题。
技术实现要素：5.为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种深空低温环境下材料热导率测试装置，在热导率底座与二级冷头之间增设低温热沉层，可以有效降低样品在与外界存在较大误差时的温度误差波动，提高了材料热导率测试的稳定性和可靠性。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种深空低温环境下材料热导率测试装置，包括由内而外依次设置的一级辐冷屏、二级辐冷屏和真空仓；
7.所述二级辐冷屏与一级辐冷屏之间通过依次设置的热导率底座、低温热沉层和二级冷头固定连接，一级辐冷屏与真空仓之间通过一级冷头固定连接；
8.所述二级辐冷屏内设置有位于测试样品两端的上铜盘和夹持装置，且测试样品安装后与热导率底座接触；
9.所述上铜盘设有第一加热源，且第一加热源的引线依次穿过热导率底座、低温热沉层和一级冷头后引出真空仓；所述二级冷头设有第二加热源，且第二加热源的引线穿过一级冷头后引出真空仓；
10.所述测试样品的两端分别设置有远端温度传感器和近端温度传感器，且远端温度传感器和近端温度传感器的引线依次穿过热导率底座、低温热沉层和一级冷头后引出真空仓。
11.进一步的，所述上铜盘设有上端温度传感器，热导率底座设有下端温度传感器，且上端温度传感器和下端温度传感器的引线依次穿过热导率底座、低温热沉层和一级冷头后引出真空仓。
12.进一步的，所述远端温度传感器、近端温度传感器、上端温度传感器和下端温度传
感器均为二氧化硅温度传感器。
13.进一步的，所述低温热沉层采用在77k低温时具有300w/(m
·
k)以上的热导率和比热容高于0.39
×
103j/(kg
·
k)的材料制备而成。
14.进一步的，所述夹持装置以点接触方式与测试样品的侧面接触。
15.进一步的，所述热导率底座设有滑轨，夹持装置安装在滑轨上。
16.进一步的，所述夹持装置采用g10材料制备而成。
17.进一步的，所述测试样品表面包裹有辐射漏热隔绝层；或，所述测试样品与二级辐冷屏之间填充有辐射漏热隔绝层。
18.进一步的，所述辐射漏热隔绝层采用陶瓷纤维材料。
19.进一步的，所述引线穿过热导率底座、低温热沉层和一级冷头的部分采用锰和/或镍铬合金制备而成。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21.1、本发明提供的一种深空低温环境下材料热导率测试装置，在热导率底座与二级冷头之间增设低温热沉层，可以有效降低样品在与外界存在较大误差时的温度误差波动，提高了材料热导率测试的稳定性和可靠性；
22.2、本发明对引线添加低温热沉以及更换导线后，热传导漏热功率为改进前的十分之一，双级辐冷屏可以是热辐射漏热功率量级降至10-7w，使用旋片机械泵与涡轮分子泵组成真空泵组，真空度可以达到10-4pa，残余空气对流漏热功率量级降至10-5w；
23.3、本发明中测试样品两端的接触热阻会影响热导率的测试精度，远端温度传感器与近端温度传感器可以有效避免接触热阻带来的影响。同时近端温度传感器与下端温度传感器热导率测量结果有样品下端接触热阻的影响，对比远端、近端温度传感器与和近端、下端温度传感器的结果可以得到因接触热阻引入带来的影响；
24.4、本发明中的夹持装置与测试样品的接触方式为点接触，测试样品与夹持装置之间接触热阻增加，且夹持装置材料为g10，夹持装置自身热阻也很大，可以大大减小分流的热流量，样品内部热流量几乎不会被影响，从而不影响测量精度。
附图说明
25.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
26.图1是本发明实施例中的整体结构示意图；
27.图2是现有技术中夹持装置的结构示意图；
28.图3是本发明实施例中夹持装置的结构示意图；
29.图4是现有技术中热流量的分析示意图；
30.图5是本发明实施例中热流量的分析示意图。
31.附图中标记及对应的零部件名称：
32.1、真空仓；2、抽气口；3、一级辐冷屏；4、二级辐冷屏；5、一级冷头；6、二级冷头；7、低温热沉层；8、热导率底座；9、夹持装置；10、上铜盘；11、测试样品；12、第一加热源；13、第二加热源；14、远端温度传感器；15、近端温度传感器；16、上端温度传感器；17、下端温度传感器；18、对比温度传感器。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
34.需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
35.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
37.实施例：一种深空低温环境下材料热导率测试装置，如图1所示，包括由内而外依次设置的一级辐冷屏3、二级辐冷屏4和真空仓1，真空仓1的底部设置有抽气口2，使用旋片机械泵与涡轮分子泵组成真空泵组，从抽气口2进行抽气，真空度可以达到10-4
pa，残余空气对流漏热功率量级降至10-5
w。二级辐冷屏4与一级辐冷屏3之间通过由上而下依次设置的热导率底座8、低温热沉层7和二级冷头6固定连接，一级辐冷屏3与真空仓1之间通过一级冷头5固定连接。二级辐冷屏4内设置有位于测试样品11上下两端的上铜盘10和夹持装置9，且测试样品11安装后与热导率底座8接触。
38.所述上铜盘10设有第一加热源12，且第一加热源12的引线依次穿过热导率底座8、低温热沉层7和一级冷头5后引出真空仓1；所述二级冷头6设有第二加热源13，且第二加热源13的引线穿过一级冷头5后引出真空仓1。所述测试样品11的两端分别设置有远端温度传感器14和近端温度传感器15，且远端温度传感器14和近端温度传感器15的引线依次穿过热导率底座8、低温热沉层7和一级冷头5后引出真空仓1。
39.本发明在热导率底座8与二级冷头6之间增设低温热沉层7，可以有效降低样品在与外界存在较大误差时的温度误差波动，提高了材料热导率测试的稳定性和可靠性。
40.此外，上铜盘10设有上端温度传感器16，热导率底座8设有下端温度传感器17，且上端温度传感器16和下端温度传感器17的引线依次穿过热导率底座8、低温热沉层7和一级冷头5后引出真空仓1。另外，二级冷头6配置有对比温度传感器18，可以对二级冷头6上的加热情况进行检测反馈。本发明中测试样品11两端的接触热阻会影响热导率的测试精度，远端温度传感器14与近端温度传感器15可以有效避免接触热阻带来的影响。同时近端温度传感器15与下端温度传感器17热导率测量结果有样品下端接触热阻的影响，对比远端、近端温度传感器15与和近端、下端温度传感器17的结果可以得到因接触热阻引入带来的影响。
41.在本实施例中，远端温度传感器14、近端温度传感器15、上端温度传感器16和下端温度传感器17均为二氧化硅温度传感器。
42.低温热沉层7采用在77k低温时具有300w/(m
·
k)以上的热导率和比热容高于0.39
×
103j/(kg
·
k)的材料制备而成。例如，纯铜或金刚石-铜复合材料。
43.在本实施例中，夹持装置9以点接触方式与测试样品11的侧面接触。本发明中的夹持装置9与测试样品11的接触方式为点接触，测试样品11与夹持装置9之间接触热阻增加，且夹持装置9材料为g10，夹持装置9自身热阻也很大，可以大大减小分流的热流量，样品内部热流量几乎不会被影响，从而不影响测量精度。夹持装置9采用g10材料制备而成。
44.另外，热导率底座8设有滑轨，夹持装置9安装在滑轨上，通过滑轨移动夹持装置9，使得测试样品11的安装与拆卸操作方便。
45.作为一种可选的实施方式，测试样品11表面包裹有辐射漏热隔绝层。作为另一种可选的实施方式，所述测试样品11与二级辐冷屏4之间填充有辐射漏热隔绝层。辐射漏热隔绝层采用陶瓷纤维材料。此外，引线穿过热导率底座8、低温热沉层7和一级冷头5的部分采用锰和/或镍铬合金制备而成。
46.本发明对引线添加低温热沉以及更换导线后，热传导漏热功率为改进前的十分之一，双级辐冷屏可以是热辐射漏热功率量级降至10-7
w，使用旋片机械泵与涡轮分子泵组成真空泵组，真空度可以达到10-4
pa，残余空气对流漏热功率量级降至10-5
w。
47.如图4所示，以外界温度为300k、测试样品11的温度为20k为例进行说明，直径为0.1mm，外界与测试样品11之间的长度为1m。通常情况下一根导线在两端温差280k时，约有1.54
×
10-2
w外界热流量进入测试样品11，计算公式如下：
[0048][0049]
其中，表示外界进入测试样品11的热流量；λ表示热导率的平均值，取值为700w/(m
·
k)；δt表示温差；l表示测试样品11的长度；a表示截面积。
[0050]
如图5所示，本发明中低温热沉层7的温度为50k，外界与低温热沉层7之间的长度为0.5m，λ1为外界与低温热沉层7之间热导率的平均值，取值为300w/(m
·
k)；测试样品11与低温热沉层7之间的长度为0.5m，λ2为测试样品11与低温热沉层7之间热导率的平均值，取值为500w/(m
·
k)，直径为0.1mm。
[0051][0052][0053]
其中，表示外界进入低温热沉层7的热流量；表示低温热沉层7进入测试样品11的热流量。对比可知，外界绝大多数热流量进入低温热沉内，仅有原来十分之一的热流量进入样品。
[0054]
工作原理：本发明在热导率底座8与二级冷头6之间增设低温热沉层7，可以有效降低样品在与外界存在较大误差时的温度误差波动，提高了材料热导率测试的稳定性和可靠性；对引线添加低温热沉以及更换导线后，热传导漏热功率为改进前的十分之一，双级辐冷屏可以是热辐射漏热功率量级降至10-7
w，使用旋片机械泵与涡轮分子泵组成真空泵组，真空度可以达到10-4
pa，残余空气对流漏热功率量级降至10-5
w。
[0055]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种深空低温环境下材料热导率测试装置，其特征是，包括由内而外依次设置的一级辐冷屏(3)、二级辐冷屏(4)和真空仓(1)；所述二级辐冷屏(4)与一级辐冷屏(3)之间通过依次设置的热导率底座(8)、低温热沉层(7)和二级冷头(6)固定连接，一级辐冷屏(3)与真空仓(1)之间通过一级冷头(5)固定连接；所述二级辐冷屏(4)内设置有位于测试样品(11)两端的上铜盘(10)和夹持装置(9)，且测试样品(11)安装后与热导率底座(8)接触；所述上铜盘(10)设有第一加热源(12)，且第一加热源(12)的引线依次穿过热导率底座(8)、低温热沉层(7)和一级冷头(5)后引出真空仓(1)；所述二级冷头(6)设有第二加热源(13)，且第二加热源(13)的引线穿过一级冷头(5)后引出真空仓(1)；所述测试样品(11)的两端分别设置有远端温度传感器(14)和近端温度传感器(15)，且远端温度传感器(14)和近端温度传感器(15)的引线依次穿过热导率底座(8)、低温热沉层(7)和一级冷头(5)后引出真空仓(1)。2.根据权利要求1所述的一种深空低温环境下材料热导率测试装置，其特征是，所述上铜盘(10)设有上端温度传感器(16)，热导率底座(8)设有下端温度传感器(17)，且上端温度传感器(16)和下端温度传感器(17)的引线依次穿过热导率底座(8)、低温热沉层(7)和一级冷头(5)后引出真空仓(1)。3.根据权利要求2所述的一种深空低温环境下材料热导率测试装置，其特征是，所述远端温度传感器(14)、近端温度传感器(15)、上端温度传感器(16)和下端温度传感器(17)均为二氧化硅温度传感器。4.根据权利要求1所述的一种深空低温环境下材料热导率测试装置，其特征是，所述低温热沉层(7)采用在77k低温时具有300w/(m
·
k)以上的热导率和比热容高于0.39
×
103j/(kg
·
k)的材料制备而成。5.根据权利要求1所述的一种深空低温环境下材料热导率测试装置，其特征是，所述夹持装置(9)以点接触方式与测试样品(11)的侧面接触。6.根据权利要求5所述的一种深空低温环境下材料热导率测试装置，其特征是，所述热导率底座(8)设有滑轨，夹持装置(9)安装在滑轨上。7.根据权利要求5所述的一种深空低温环境下材料热导率测试装置，其特征是，所述夹持装置(9)采用g10材料制备而成。8.根据权利要求1所述的一种深空低温环境下材料热导率测试装置，其特征是，所述测试样品(11)表面包裹有辐射漏热隔绝层；或，所述测试样品(11)与二级辐冷屏(4)之间填充有辐射漏热隔绝层。9.根据权利要求8所述的一种深空低温环境下材料热导率测试装置，其特征是，所述辐射漏热隔绝层采用陶瓷纤维材料。10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种深空低温环境下材料热导率测试装置，其特征是，所述引线穿过热导率底座(8)、低温热沉层(7)和一级冷头(5)的部分采用锰和/或镍铬合金制备而成。
技术总结本发明公开了一种深空低温环境下材料热导率测试装置，涉及热导率测试技术领域，其技术方案要点是：包括一级辐冷屏、二级辐冷屏和真空仓；二级辐冷屏与一级辐冷屏之间通过热导率底座、低温热沉层和二级冷头固定连接，一级辐冷屏与真空仓之间通过一级冷头固定连接；二级辐冷屏内设置有位于测试样品两端的上铜盘和夹持装置，且测试样品安装后与热导率底座接触；上铜盘设有第一加热源；二级冷头设有第二加热源；测试样品的两端分别设置有远端温度传感器和近端温度传感器。本发明在热导率底座与二级冷头之间增设低温热沉层，可以有效降低样品在与外界存在较大误差时的温度误差波动，提高了材料热导率测试的稳定性和可靠性。高了材料热导率测试的稳定性和可靠性。高了材料热导率测试的稳定性和可靠性。
技术研发人员：倪磊 张誉成 廖璇 向北平 杨应洪 余家欣
受保护的技术使用者：西南科技大学
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
