刘冬欢等：内置高导C/C材料的疏导式热防护结构防热效果 .245· 3000 2500 2000 1500 1000 500 4681012141618 轴向坐标，xmm 图3试件.(a)高导C/C材料：(b)三维编织C/C材料 图2模型球头部分气动热流密度分布 Fig.3 Specimens:(a)high thermal conductivity C/C material: Fig.2 Thermal flux distribution at the head area of the model (b)three-dimensional braid C/C material 外部空间温度，取为300K.可以看出，给定的气动热 冷却装置 加载装置 流是随着结构表面温度的变化而变化的，因此这是一 个非线性的边界条件，在求解结构温度场时需要进行 迭代计算. 在三维编织C/C材料和高导C/C材料界面上满 足热流连续条件 热电偶 试件1 91=92 (3) 隔热装置 这里，9，和92分别为界面两侧的热流密度 由于界面接触热阻的存在，界面温度存在跳变 加热装置 T-T2=qR. (4) 这里，T和T,分别为界面两侧材料1和材料2的 温度；9为通过界面的热流密度，由材料1流向材料2 为正：R为界面接触热阻 基座 界面接触热阻的存在阻碍了驻点附近的高热流密 度通过高导C/C材料向尾端低温区域的流动，从而使 图4高温接触热阻试验原理图 得驻点温度升高.界面接触热阻极大地影响着疏导热 Fig.4 Illustration of high temperature contact thermal resistance ex- periment 防护的效果，因此很有必要开展界面接触热阻的试验 研究. 设置保温隔热装置，以实现轴向恒定的热流密度.通 过插入试件的热电偶测得轴向各测点的温度值，进而 2界面接触热阻 根据傅里叶热传导定律得到轴向热流和界面处的温度 基于文献20]的高温接触热阻试验方法，针对三 跳变值，最后根据接触热阻的定义式(4)给出接触热 维编织C/C材料与高导C/C材料之间的界面接触热 阻的试验值. 阻开展试验研究，试件如图3所示，图中试件上的圆孔 不同界面压力下各个测点的温度时间历程分别如 为插入热电偶的位置，也即温度测点的位置（高导C/ 图5(a)~图5(c)所示.由各个测点的温度时间历程 C试件测点从下到上依次为测点2、3和4，三维编织 处理即可得到不同界面压力条件下接触热阻随界面平 C/C试件测点从下到上依次为测点5、6、7和8). 均温度的变化趋势，如图6所示. 试件组合为表面粗糙度3.85um的高导C/C材料 从高导C/C材料与三维编织C/C材料之间的接 试件和表面粗糙度为26.3μm的三维编织C/C复合材 触热阻试验结果可以看出，界面压力越大，界面接触热 料试件，其中高导C/C材料试件处于低温端而三维编 阻越小，这是因为界面压力的增加导致界面微凸起弹 织C/C复合材料试件处于高温端，研究界面载荷分别 塑性变形的增加，也导致了界面有效接触面积的增加 为0、1和2kN时两者之间的接触热阻变化规律.试验 同时随着界面温度的升高，界面接触热阻逐渐减小，而 原理如图4所示 且界面压力越小，这种减小的趋势越明显，这是因为界 在本试验中，试件2为高导C/C材料，试件1为三 面压力越小接触热导（接触热阻的倒数）越小，因此同 维编织C/C材料，热量沿轴向由试件2流向试件1，试 样的界面温度条件下间隙辐射换热效应引起的接触热 件1的顶端设置水冷装置将热流导走，同时试件周向 导对整体接触热导的影响就要更明显一些，而随着界刘冬欢等: 内置高导 C/C 材料的疏导式热防护结构防热效果 图 2 模型球头部分气动热流密度分布 Fig． 2 Thermal flux distribution at the head area of the model 外部空间温度，取为 300 K． 可以看出，给定的气动热 流是随着结构表面温度的变化而变化的，因此这是一 个非线性的边界条件，在求解结构温度场时需要进行 迭代计算． 在三维编织 C /C 材料和高导 C /C 材料界面上满 足热流连续条件 q1 = q2 ． ( 3) 这里，q1 和 q2 分别为界面两侧的热流密度． 由于界面接触热阻的存在，界面温度存在跳变 T1 － T2 = qＲ． ( 4) 这里，T1 和 T2 分别为界面两侧材料 1 和材料 2 的 温度; q 为通过界面的热流密度，由材料 1 流向材料 2 为正; Ｒ 为界面接触热阻． 界面接触热阻的存在阻碍了驻点附近的高热流密 度通过高导 C /C 材料向尾端低温区域的流动，从而使 得驻点温度升高． 界面接触热阻极大地影响着疏导热 防护的效果，因此很有必要开展界面接触热阻的试验 研究． 2 界面接触热阻 基于文献［20］的高温接触热阻试验方法，针对三 维编织 C /C 材料与高导 C /C 材料之间的界面接触热 阻开展试验研究，试件如图 3 所示，图中试件上的圆孔 为插入热电偶的位置，也即温度测点的位置( 高导 C / C 试件测点从下到上依次为测点 2、3 和 4，三维编织 C /C 试件测点从下到上依次为测点 5、6、7 和 8) ． 试件组合为表面粗糙度3. 85 μm 的高导 C /C 材料 试件和表面粗糙度为26. 3 μm 的三维编织 C /C 复合材 料试件，其中高导 C /C 材料试件处于低温端而三维编 织 C /C 复合材料试件处于高温端，研究界面载荷分别 为 0、1 和 2 kN 时两者之间的接触热阻变化规律． 试验 原理如图 4 所示． 在本试验中，试件2 为高导 C /C 材料，试件1 为三 维编织 C /C 材料，热量沿轴向由试件 2 流向试件 1，试 件 1 的顶端设置水冷装置将热流导走，同时试件周向 图 3 试件． ( a) 高导 C /C 材料; ( b) 三维编织 C /C 材料 Fig． 3 Specimens: ( a) high thermal conductivity C /C material; ( b) three-dimensional braid C /C material 图 4 高温接触热阻试验原理图 Fig． 4 Illustration of high temperature contact thermal resistance ex￾periment 设置保温隔热装置，以实现轴向恒定的热流密度． 通 过插入试件的热电偶测得轴向各测点的温度值，进而 根据傅里叶热传导定律得到轴向热流和界面处的温度 跳变值，最后根据接触热阻的定义式( 4) 给出接触热 阻的试验值． 不同界面压力下各个测点的温度时间历程分别如 图 5( a) ～ 图 5( c) 所示． 由各个测点的温度时间历程 处理即可得到不同界面压力条件下接触热阻随界面平 均温度的变化趋势，如图 6 所示． 从高导 C /C 材料与三维编织 C /C 材料之间的接 触热阻试验结果可以看出，界面压力越大，界面接触热 阻越小，这是因为界面压力的增加导致界面微凸起弹 塑性变形的增加，也导致了界面有效接触面积的增加． 同时随着界面温度的升高，界面接触热阻逐渐减小，而 且界面压力越小，这种减小的趋势越明显，这是因为界 面压力越小接触热导( 接触热阻的倒数) 越小，因此同 样的界面温度条件下间隙辐射换热效应引起的接触热 导对整体接触热导的影响就要更明显一些，而随着界 · 542 ·