碳纖維真空熱試驗工裝加熱籠的制作方法

本發(fā)明涉及一種用于航天器真空熱試驗用的工裝加熱籠，此裝置適用于航天器地面熱真空試驗。

背景技術(shù)：

加熱籠是航天器太空環(huán)境模擬試驗中的關(guān)鍵工裝，主要作用是模擬衛(wèi)星在太空環(huán)境中的高溫和低溫變化，以實現(xiàn)對衛(wèi)星整體特性的評價。

傳統(tǒng)的紅外加熱籠采用鎳鉻合金金屬帶涂覆特種高半球發(fā)射率黑漆涂層作為加熱體，由于線性膨脹，必須在骨架上掛接彈簧，來抵消熱試驗冷熱交變下的帶條長度變化，因此，這類加熱籠存在著手工工作量大，效率偏低的問題。

航天器真空熱試驗需要產(chǎn)生紅外輻射來模擬太空環(huán)境，目前有很多產(chǎn)生紅外輻射的裝置，如陶瓷紅外加熱器、石英加熱管、鹵素加熱管等，包括現(xiàn)有加熱籠涂覆黑漆的金屬帶，這些都可以考慮在真空熱試驗中使用。

碳纖維是一種高發(fā)射率的柔性碳材料，具有高比強度、高比模量、電熱輻射效率高等突出的電熱性能優(yōu)勢，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于民用取暖行業(yè)，如地暖、浴霸、電加熱器等。在真空熱試驗應(yīng)用領(lǐng)域，碳纖維材料的適用性是最佳的，這是因為：

1在高低溫環(huán)境中的熱膨脹系數(shù)幾乎為零，這恰好能夠適應(yīng)真空環(huán)境中冷熱交變的條件，無需掛接彈簧，簡化了裝配過程。

2可直接制成帶條狀，符合了加熱籠帶條可彎曲可裁剪易裝配的需要，因此相比鹵素加熱管等無法自由布局的情況，具有極大的裝配優(yōu)勢。

3電熱轉(zhuǎn)換效率高，遠紅外輻射效率高達90％。

4再由于碳纖維的近黑體特性，光譜發(fā)射率在0.9以上，試驗時可免于噴涂黑漆，節(jié)省了大量成本。

綜上所述，采用碳纖維材料作為加熱籠的輻射加熱體，無論從裝配便利性、熱輻射效率提高、降低成本以及復(fù)雜溫度環(huán)境的適應(yīng)性方面，都具有極大應(yīng)用潛力。但是，如何采用碳纖維材料支撐合適的加熱籠，特別是應(yīng)用于航天器地面真空熱試驗中，對本領(lǐng)域來說是急需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于航天器真空熱試驗用的工裝裝置，加熱效率高且穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，加工便捷，安裝輕便，免去黑漆噴涂環(huán)節(jié)，原料的可獲得性與經(jīng)濟性均佳，能完美替代目前所用的鎳鉻加熱籠。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

碳纖維真空熱試驗工裝加熱籠，包括相對平行豎立設(shè)置的兩連接桿，兩連接桿的上下端分別穿設(shè)有與連接桿垂直的鋁型材，豎立的兩連接桿外側(cè)也分別豎立設(shè)置鋁型材，連接桿之間的鋁型材與外側(cè)的鋁型材分別通過直角接頭固定形成鋁制骨架，以固定兩連接桿，兩連接桿上分別設(shè)置有若干異形件，一連接桿上部設(shè)置接線端口，另一連接桿下部同樣設(shè)置接線端口，異形件與連接桿表面形成彎折空間，起始端連接在接線端口上的碳纖維加熱帶通過繞制在異形件的彎折空間平行往返布置并終點連接在另一接線端口上，配備電源，將試驗電纜與接線端口連接，形成試驗電流回路，其中，碳纖維加熱帶由3K的碳纖維絲編織而成，為多向帶狀編織，單絲纖維形成自鎖式抱合結(jié)構(gòu)。

其中，連接桿上的異形件呈掛鉤狀，將碳纖維加熱帶直接掛裝到上下連接桿上，保證加熱帶的寬面與骨架平面同向，形成回路，回路的兩端預(yù)留接線端口，整體加熱帶呈平行均勻分布在一個平面。

其中，加熱帶為碳纖維材料，通過含量5％的高溫定型膠和電熱絲的復(fù)合，并進行高溫?zé)崽幚?，使碳纖維加熱帶既能夠適應(yīng)-180℃至+200℃的溫度變化，又能夠做到任意彎折而不折斷。

其中，骨架為方鋁管，將方鋁管插入直角接頭，接頭處打孔用螺釘緊固。

其中，連接桿為聚四氟乙烯板材，長條形。

其中，連接桿通過螺釘直接固定到鋁骨架的上下兩側(cè)，平行分布。

其中，接線端口采用銅片壓接，穿螺釘與銅片上。

其中，碳纖維加熱帶采用了多向帶狀編織結(jié)構(gòu)，截面呈扁條狀，每米的電阻值在2歐至8歐之間。

其中，碳纖維加熱帶的光譜發(fā)射率在0.91以上。

其中，碳纖維的單絲直徑在5-7微米。

本發(fā)明與原有的工裝相比，無論是電熱材料、裝配工藝、骨架材料還是連接方式，均與目前所用鎳鉻合金加熱籠完全不同，碳纖維的電熱輻射效率高于鎳鉻合金，經(jīng)實驗測定在3.5A的電流下鎳鉻合金帶自身溫度不高于280℃，而碳纖維帶則遠高于300℃。在真空與高低溫環(huán)境下(氣壓低于10^-3帕，溫度在-180℃至+200℃變化)通斷電，碳纖維加熱帶沒有質(zhì)損。無論是在人力成本還是物力成本均大幅降低，同時具有極高的電熱紅外輻射效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的碳纖維真空熱試驗工裝加熱籠中碳纖維加熱帶的生產(chǎn)流程圖。

圖2是本發(fā)明的碳纖維真空熱試驗工裝加熱籠中碳纖維加熱帶的光譜發(fā)射率測試曲線圖。

圖3是本發(fā)明的碳纖維真空熱試驗工裝加熱籠中碳纖維加熱帶負載電流與表面溫度變化關(guān)系圖。

圖4是本發(fā)明的碳纖維真空熱試驗工裝加熱籠的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1、骨架直角接頭；2、連接桿；3、接線端口(壓接銅片與接線螺釘)；4、平行往返布置的碳纖維加熱帶；5、鋁制骨架；6、連接桿上的異形件。

圖5是實驗時碳纖維真空熱試驗工裝加熱籠通電電流與時間曲線圖(右側(cè)縱軸)

圖6是實驗時碳纖維真空熱試驗工裝加熱籠的三條加熱帶上的時間-溫度曲線圖

圖7是布置在鋁板上的四個熱流計的時間-溫度曲線圖。

具體實施方式

以下介紹的是作為本發(fā)明所述內(nèi)容的具體實施方式，下面通過具體實施方式對本發(fā)明的所述內(nèi)容作進一步的闡明。當(dāng)然，描述下列具體實施方式只為示例本發(fā)明的不同方面的內(nèi)容，而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明范圍。

本發(fā)明中碳纖維加熱帶的設(shè)計過程如下：

1.碳纖維加熱帶的外型設(shè)計

碳纖維的單絲直徑在5-7微米，成品碳纖維中的超細碳纖維單絲一般呈束狀集合，本發(fā)明采用了碳纖維多股絲束帶狀編織技術(shù)，通過特定的碳纖維編織設(shè)備對纖維絲束進行多向帶狀編織，單絲纖維之間通過多向編織形成自鎖式抱合結(jié)構(gòu)，纖維絲束之間緊密牢固接觸，避免了單絲之間大概率的松散狀態(tài)，有效保證了碳纖維絲束的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時通過這種多股帶狀編織的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時最大限度保證其電阻在長度方向上的穩(wěn)定均勻。

2.碳纖維加熱帶的電阻匹配設(shè)計

本發(fā)明采取的多股編織帶外型結(jié)構(gòu)設(shè)計，在保證整體抱合力的同時又可以通過單股絲束量、合股數(shù)的靈活調(diào)整，靈活設(shè)計編織帶的整體電阻值，達到靈活調(diào)整電阻性能的目的，其中多股編織工藝及碳纖維柔性編織帶的電阻調(diào)整方案，如表1所示。由表1可見，通過不同K數(shù)碳纖維的編織方案優(yōu)選，可以靈活調(diào)整碳纖維柔性加熱帶的單位長度電阻值，本發(fā)明選取了兩種編織方案，調(diào)整單股纖維量(K數(shù))和編織股數(shù)可以設(shè)計出7種不同的單位電阻指標，最終的單位長度電阻值可以在2歐姆/米到8歐姆/米之間調(diào)整，若需要單位長度上更小的電阻值，也可采用碳纖維多股編織帶的并用方式，如此方案設(shè)計完全可以滿足加熱籠的不同輻射功率設(shè)計要求。

表1不同K數(shù)及編織股數(shù)的單位長度電阻設(shè)計方案

3.碳纖維加熱帶的力學(xué)特性設(shè)計

根據(jù)加熱籠的裝配要求，需要加熱帶具備一定的韌性和彈性，以適應(yīng)不同溫度下的尺寸變化；同時該加熱帶需要抵抗裝配過程中拐角位置的彎折和扭曲，因此需要在加熱帶表面進行一定的高溫定型處理，以達到保證碳纖維絲束柔性基礎(chǔ)的條件下，賦予其一定的力學(xué)剛性和韌性。選擇了兩種韌性不同的高溫定型膠、選擇涂覆1％、2％、3％、4％、5％、10％六種不同定型膠黏劑含量的碳纖維絲束進行高溫處理，形成碳纖維復(fù)合加熱帶樣品，通過熱處理成型的復(fù)合加熱帶力學(xué)特性的測試發(fā)現(xiàn)，膠黏劑種類與含量的變化對于加熱帶的韌性和剛性有著重要的影響，如表2所示。

表2定型劑種類與濃度對碳纖維多股編織柔性加熱帶的力學(xué)特性影響對比

從表2的數(shù)據(jù)對比可見，定型膠的類型對碳纖維加熱帶的剛度有較大影響，復(fù)合定型膠1隨著濃度由低到高的調(diào)整整體均出現(xiàn)了毛絲、斷絲問題，這對于加熱帶的裝配是不利的。而復(fù)合定型膠2隨著涂覆濃度的變化，有較大的敏感性，首先低濃度定型膠對于剛性提高的效果不明顯，而采用高濃度復(fù)合定型膠，尤其是濃度大于5％之后，加熱帶的剛性大幅度提高，在反復(fù)彎折過程中極易出現(xiàn)斷絲、毛絲甚至整體折斷現(xiàn)象。因此在反復(fù)優(yōu)選方案后，本發(fā)明選擇3-4％濃度適中的復(fù)合定型膠2(電阻絲復(fù)合高溫膠粘劑)作為復(fù)合定型膠黏劑對其進行高溫定型，以保證其整體韌性與剛性兼?zhèn)涞牧W(xué)性能。

根據(jù)真空熱試驗對于加熱帶條外形、電阻特性以及力學(xué)特性的設(shè)計，利用專用碳纖維多股編織設(shè)備及高溫定型設(shè)備，實現(xiàn)對碳纖維加熱帶的連續(xù)化生產(chǎn)。其主要生產(chǎn)流程如圖2所示。

本發(fā)明中碳纖維加熱帶的測試過程如下：

1光譜發(fā)射率測試

鑒于加熱籠需要模擬真空環(huán)境下的熱交換過程，而在真空環(huán)境中主要以熱輻射作為主要的傳熱方式。為此，進行了加熱帶的真空環(huán)境光譜發(fā)射率測試，其測試波段在2500-15000nm范圍內(nèi)，測試結(jié)果如圖3所示。通過測試結(jié)果分析可見，碳纖維多股編織帶在8000nm以上波段范圍的單色發(fā)射率基本在0.9以上，而在8000-15000nm范圍內(nèi)的單色發(fā)射率也保持在0.85以上，最低單色發(fā)射率也高達0.84。通過計算在有效測試波段內(nèi)其總發(fā)射率可達到0.91。因此采用本發(fā)明的碳纖維加熱帶在真空測試條件下具有極高的紅外輻射效率，紅外輻射加熱效果可完全達到熱試驗使用要求。

2電性能測試

加熱帶電性能是加熱籠主要性能指標之一，為此，本發(fā)明進行了負載電流變化條件下的輻射加熱帶表面溫度的變化考察測試。測試結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，隨著碳纖維多股編織帶加載電流升高，其表面溫度也呈現(xiàn)線性升高趨勢，當(dāng)加載電流達4安培以上時，表面溫度可在300℃以上，這說明碳纖維多股編織帶具有較高熱效率，可有效實現(xiàn)對空間環(huán)境的熱交換。

本發(fā)明中碳纖維加熱帶的關(guān)鍵性能指標：

表3碳纖維多股編織輻射加熱帶關(guān)鍵性能指標

碳纖維加熱籠的裝配：

本發(fā)明的碳纖維加熱籠結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，其中，碳纖維真空熱試驗工裝加熱籠，包括相對平行豎立設(shè)置的兩連接桿2，兩連接桿2的上下端分別穿設(shè)有與連接桿2垂直的鋁型材，豎立的兩連接桿2外側(cè)也分別豎立設(shè)置鋁型材，連接桿之間的鋁型材與外側(cè)的鋁型材分別通過直角接頭1固定形成鋁制骨架5，以固定兩連接桿2，兩連接桿2上分別設(shè)置有若干異形件6，一連接桿2上部設(shè)置接線端口3，另一連接桿下部同樣設(shè)置接線端口3，異形件6與連接桿2表面形成彎折空間，起始端連接在接線端口3上的碳纖維加熱帶4通過繞制在異形件6的彎折空間平行往返布置并終點連接在另一接線端口3上，配備電源，將試驗電纜與接線端口3連接，形成試驗電流回路，其中，碳纖維加熱帶4由3K的碳纖維絲編織而成，為多向帶狀編織，單絲纖維形成自鎖式抱合結(jié)構(gòu)。

其裝配步驟如下：

1.根據(jù)熱設(shè)計輸入，確定帶間距，在連接桿2上加工相對應(yīng)的連接桿上的異型件6。

2.組裝骨架，將骨架直角接頭1與鋁制骨架5連接，再將連接桿2固定到鋁制骨架5上。

3.開始手工掛接碳纖維加熱帶4，按照電源能力需求可布置多條電流回路，滿足各種尺寸的試驗件加熱需求。

4.將4碳纖維加熱帶的兩端固定到接線端口3。

5.配備電源裝置，將試驗電纜與接線端口3連接，形成試驗電流回路。

6.待電裝完畢后，將碳纖維加熱籠置入真空容器內(nèi)，固定于指定位置，即就緒，等待試驗開始。

碳纖維加熱籠的使用：

1試制一片碳纖維加熱籠

劃分三條回路，其中最左側(cè)的分布較密，另外兩條分布較稀。在距離加熱籠150mm的位置放置一塊涂黑漆的鋁板作為試驗件，鋁板上布置了測溫點和熱流計，碳纖維帶條上也布置了測溫點。實驗在真空容器內(nèi)進行，電流從0.5A開始，每隔一段時間增加電流0.5A，直至3.5A為止，采集這期間的測量數(shù)據(jù)用于分析，電流隨時間的變化曲線如圖5所示。整個實驗進行順利，沒有出現(xiàn)短路或局部過熱等問題。

2實驗結(jié)果分析

三條碳纖維帶上均布置了測溫點，測得溫度在不同電流下帶條溫度隨時間的曲線見圖6。由圖6可知，三條回路的帶條溫度隨電流呈線性變化，與圖5的電流曲線保持高度一致。由于熱試驗所用的測溫傳感器量程有限，所以在電流變?yōu)?A時，帶條溫度高于300℃而超出量程，可判斷鑒于碳纖維優(yōu)良的電熱轉(zhuǎn)換效率，可在未來的400℃高溫實驗領(lǐng)域有應(yīng)用價值。

熱流計在鋁板上共布置了四個，其中第一個回路布置了三個，第二個回路布置了一個，測出的溫度曲線如圖7所示。

由于本次試驗所用的鋁板較大，距離較遠，同時帶間距過大，所以鋁板溫度不夠高，這里更多的考慮熱流計的溫度。將熱流計的數(shù)據(jù)使用斯忒潘-玻爾茲曼公式計算可得熱流密度，取最大電流3.5A時的結(jié)果，最大熱流密度達到了1040.91W/m²。由此可知，在帶間距30mm的情況下，通3.5A電流，熱流密度即達到了1千瓦以上，說明碳纖維材質(zhì)作為電熱材料高效的紅外輻射能力，完全可以滿足熱試驗的熱流密度要求。

盡管上文對本發(fā)明的具體實施方式給予了詳細描述和說明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。