本發明涉及一種陶瓷壁面熱流傳感器設計領域，特別是一種適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器。
背景技術：
當飛行器以高超聲速飛行時，由于其對前方空氣的壓縮及與周圍空氣的摩擦，飛行器絕大部分的動能會以激波及尾流渦旋的形式耗散于大氣中，剩下的一部分動能則轉化為熱能，導致其周圍的空氣溫度急劇升高，并以對流和輻射兩種形式向航天器表面傳遞熱量，即“氣動加熱”。為了考核飛行器所選用的防隔熱材料在氣動加熱條件下能否滿足防隔熱設計需求，通常需要在地面試驗設備上設計并開展防隔熱材料性能考核試驗，最常見的地面防熱試驗主要基于電弧/高頻風洞加熱設備，其工作原理為：通過高壓電弧放電或電磁感應加熱，將空氣電離為高溫離子態氣體，再經過拉瓦爾噴管將氣體加速到一定馬赫數，使氣體總焓達到或接近真實飛行條件。
受地面加熱設備能力的限制，電弧/高頻風洞加熱設備噴管出口模擬的動焓通常遠小于飛行條件，往往需要事先將試驗氣體電離，以增加試驗氣體的離解焓的形式實現對飛行條件下總焓的模擬，即將一部分能量以電離能的形式貯存在離解氣體中。如果這部分能量在材料壁面能夠完全釋放出來，則材料壁面實際感受到的熱流與飛行條件相當，反之，如果這部分能量無法完全釋放，則材料壁面實際感受到的熱流將低于飛行條件，造成地面試驗的欠考核。
事實上，電弧/高頻風洞試驗氣體中貯存的離解焓能否完全釋放，在很大程度上受到材料壁面催化特性的制約，而風洞試驗中無法回避的一個難題是由熱流測試用的塞式傳感器與試驗件材料壁面催化系數存在較大差異，即傳統的塞式熱流傳感器測得的熱流與試驗件表面實際感受到的熱流不符。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，解決了無法直接在紫銅柱表面制備陶瓷涂層的問題，緩解平面方向的熱擴散，有效規避了陶瓷材料導熱系數小，熱響應慢的問題，為高超聲速飛行器地面防熱試驗提供了更加精確的測熱傳感器。
本發明的上述目的是通過如下技術方案予以實現的：
適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，包括石墨烯柱、剛性陶瓷隔熱套、紫銅柱、熱電偶、陶瓷涂層；其中，石墨烯柱的軸向一端與紫銅柱固定連接，石墨烯柱的軸向另一端覆蓋有陶瓷涂層；在石墨烯柱的外側壁和紫銅柱遠離石墨烯柱的軸向端面包覆有剛性陶瓷隔熱套；在紫銅柱的端面設置有熱電偶。
在上述的適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，所述陶瓷涂層厚度小于50μm。
在上述的適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，所述熱電偶沿紫銅柱軸線方向設置在紫銅柱的中心處，熱電偶垂直穿過剛性陶瓷隔熱套，且熱電偶一端與紫銅柱端面的接觸點為溫度測點，熱電偶的另一端伸出陶瓷隔熱套。
在上述的適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，熱電偶伸出陶瓷隔熱套的一端引出引線與外部測量裝置連接，實現對紫銅柱底端面溫度的測量。
在上述的適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，所述石墨烯柱為片層結構，片層厚度小于紫銅柱母線長度的1/5。
在上述的適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，加工石墨烯柱的過程中，保證石墨烯柱沿厚度方向為片層結構的方向。
在上述的適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，石墨烯柱可用材質均勻的碳質材料代替，碳質材料沿厚度方向熱導率不小于200W/(m·K)。
在上述的適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，石墨烯柱的一端采用高溫涂覆燒結工藝制備陶瓷涂層。
本發明與現有技術相比具有如下優點：
(1)本發明引入石墨烯塞柱，其與陶瓷涂層的線脹系數差異性小，且石墨烯的成分為碳元素，可以通過化學反應的工藝方法實現表面涂層的制備，解決了無法直接在紫銅柱表面制備陶瓷涂層的問題；
(2)本發明充分利用了石墨烯二維結構方向上的高導熱特點，即選用沿厚度方向上為片層結構的石墨烯，沿厚度方向的熱導率比紫銅更高(通常為紫銅的數倍)，更有利于塞柱實現均溫,可視為T1＝T2，即無需在紫銅和石墨烯塞塊中間設置熱電偶，而平面方向熱導率相對較低，一定程度上可以緩解平面方向的熱擴散；
(3)本發明表面涂層厚度薄小于50μm，沿厚度方向均熱效果好，涂層厚度方向基本不存在溫度梯度，有效規避了陶瓷材料導熱系數小，熱響應慢的問題。
附圖說明
圖1為本發明復合塞式熱流傳感器示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述：
為解決因熱流測試用塞式傳感器與試驗件材料壁面催化系數差異大、實測熱流與試驗件表面實際熱流不符的問題，最直接的方法是研制與試驗件表面催化特性完全一致的熱流傳感器，即在紫銅塞表面制備與參試材料相同的薄片或涂層，但在實際研制過程中會遇到兩方面問題：其一，陶瓷基復合材料或防熱材料表面制備的陶瓷涂層在研制過程中通常要經過高溫處理或高溫化學反應，而傳統塞式量熱計選用的紫銅柱無法適應如此高的溫度，而通過表面濺射等工藝雖然可以在紫銅柱表面制備陶瓷涂層，但兩種材料的線脹系數差異較大，在流場啟動瞬間的熱沖擊條件下往往出現涂層剝落，影響測熱精度；其二，從塞式熱流傳感器的設計原理出發，需采用導熱系數高、熱沉大的量熱塞(傳統量塞式量熱計一般選用紫銅)，且表面陶瓷材料的厚度、線膨脹系數、以及沿厚度方向的熱導率對傳感器的測試精度均有較大影響。
如圖1所示為復合塞式熱流傳感器示意圖，由圖可知，適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，包括石墨烯柱1、剛性陶瓷隔熱套2、紫銅柱3、熱電偶5、陶瓷涂層6；其中，石墨烯柱1的軸向一端與紫銅柱3固定連接，石墨烯柱1的軸向另一端覆蓋有陶瓷涂層6；在石墨烯柱1的外側壁和紫銅柱3遠離石墨烯柱1的軸向端面包覆有剛性陶瓷隔熱套2；在紫銅柱3的端面設置有熱電偶5。
其中，陶瓷涂層6厚度小于50μm。
熱電偶5沿紫銅柱3軸線方向設置在紫銅柱3的中心處，熱電偶5垂直穿過剛性陶瓷隔熱套2，且熱電偶5一端與紫銅柱3端面的接觸點為溫度測點4，熱電偶5的另一端伸出陶瓷隔熱套2。
熱電偶5伸出陶瓷隔熱套2的一端引出引線與外部測量裝置連接，實現對紫銅柱3底端面溫度的測量。
所述石墨烯柱1為片層結構，片層厚度小于紫銅柱3母線長度的1/5。加工石墨烯柱1的過程中，保證石墨烯柱1沿厚度方向為片層結構的方向。即確保石墨烯柱沿厚度方向具有較高的熱導率。石墨烯柱1的一端采用高溫涂覆燒結工藝制備陶瓷涂層6。以解決紫銅柱與陶瓷壁面結合力弱的技術難題。
另外，石墨烯柱1可用材質均勻的碳質材料代替，碳質材料沿厚度方向熱導率不小于200W/(m·K)。
石墨烯柱1在加工時需確保厚度方向為片層方向，即厚度方向熱導率遠高于周向和徑向熱導率，同時確保了石墨烯柱1沿厚度方向熱導率比紫銅柱3更高；然后在石墨烯柱1表面刷涂與飛行器防熱層材質相同的陶瓷涂層6，由于涂層的制備過程中往往需要在惰性環境下進行高溫燒結處理，其原理就是要在碳表面通過化學反應生產碳化硅材質，而石墨烯的成分本就是碳元素，且其升華點在3000℃以上，故在可適應表面碳化硅涂層制備工藝，最終獲得與涂層熱匹配性好的塞柱；將帶涂層的石墨烯柱1、紫銅柱3組合而成的塞式熱流傳感器嵌入陶瓷隔熱套2中，并在紫銅柱3底面封裝熱電偶5作為敏感元件。
陶瓷涂層復合材料塞式熱流傳感器在滿足傳統塞式熱流傳感器測量原理的基礎上，引入了石墨烯柱1，實現了塞式熱流傳感器表面陶瓷化的設計目標，可適用于高焓、中/低熱流環境條件下的風洞防熱試驗測熱，為高超聲速飛行器地面防熱試驗提供更加精確的測熱傳感器。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。