等离子体风洞中烧蚀材料测试期间的发射光谱边界层研究

本实验方法的总体目标是表征烧蚀型热防护材料在高焓氮气等离子体（NTP）流中的材料响应及气体-表面相互作用现象，从而为数值模型的建立与验证提供数据支持。该方法有助于回答热防护材料地面测试领域中的关键问题，例如材料的分解机制以及反应性边界层所受到的影响。该技术的主要优势在于仅采用光学测量手段，可获得丰富的信息谱，并且相对容易实现材料分析过程的标准化。

对于等离子体风洞地面测试的新手而言，由于测量技术的复杂性，通常会面临困难。通过可视化演示，将有助于理解。该技术的应用可拓展至多种防热材料，如陶瓷基复合材料，尤其是烧蚀型碳酚醛材料。

首先使用垂直和水平线激光器对准光学系统，将所有组件调整至与测试样品相同的高度，并使透镜与样品的驻点线垂直对齐。通过将透镜置于距测试样品计算距离的位置，以及将光纤端面置于距透镜计算距离的位置，来聚焦光路。使用铅笔式汞校准灯照射样品的驻点，并将光纤端面定位在成像最清晰的位置。

当透镜光纤系统对准后，将一束激光从光谱仪端的光纤末端射入，并在样品端用一张白纸观察聚焦的激光点，以确认其在待测样品前方的位置和聚焦状态正确。可通过使用黑色硬纸板等材料包裹光路，防止除焦点外的任何光线进入光纤末端。通过光纤发射一束激光，检查光纤末端发出的光是否能够直接到达透镜。

随后，使用高速相机（HSC）从垂直于样品表面的方向观察测试样品。利用样品透镜系统的通路，对相机光学系统进行水平和垂直对准，确保高速相机的视场中心与透镜中心及样品的驻点重合。使用数字延时发生器（DDG）同步高速相机和发射光谱仪。

使用DDG的单个电压脉冲触发HSC记录，并以所需频率分别触发每次光谱记录。进行辐射测温时，采用双色高温计结合测试腔室上的石英窗口观测表面温度。设置HSC软件时，将高曝光时间设为90毫秒，以便在实验前放置测试样品后对HSC进行对准和聚焦，并采集一次实验前图像。

调整实验的曝光时间。将触发后时间设为最大值，并设置正确的记录速率以覆盖整个实验过程。将初始光圈值设为16后，将数字延迟发生器（DDG）设置为光谱仪记录光谱所需的期望重复频率。

接下来，设置光谱仪采集软件。确认光学系统已正确就位后，使用每台仪器采集背景图像并保存。随后启动等离子体装置，并将其调节至所需的测试状态。

然后启动高清摄像机的录制。接着启动高温计的录制。使用所有光谱仪采集自由流光谱，用于校准比对。

完成操作后，将积分时间从 200 毫秒降低至 50 毫秒，以防止信号饱和。通过按下 DDG 上的 trig 按钮，并将模式从外部切换为内部，触发 HSC 和光谱仪。然后将测试样品注入等离子体气流中。

测试完成后，停止 DDG。保存 HSC 图像后，停止测温仪的数据采集。随后，将激光点通过光谱仪侧的光纤端口的光谱仪端。

使用HSC观察激光焦点，并保存该图像以标记光谱仪的位置。对每个光谱仪重复上述步骤后，将棋盘格放置在测试样品的位置，并使用HSC记录图像以进行校准。移除测试样品后，记录其重量。

拍摄样品照片后，将其存入样品储存装置中，以保护由氧化纤维构成的脆性炭化层。此时，通过将钨带灯放置在测试腔室内每个收集光学元件的焦点处，对每个光学系统进行光强校准。记录校准灯的光谱。

接下来，观察高速摄像（HSC）视频文件中样品注入和排出的时间，以准确估算测试时间。从HSC视频文件中观察测试样品在注入时停滞点的像素位置。导出先前采集的图像，并在图像上找到光谱仪探测位置对应的亮点像素，以确定X和Y坐标位置。

随后，打开包含校准光谱波长向量的文件，识别并确定与相关波长对应的行索引。绘制每台光谱仪的光谱积分发射强度随其距表面距离的变化关系图。为了更准确地解读结果，对数据进行多项式拟合，并绘制拟合结果。

对于扫描电镜分析，使用扫描电镜系统选择一根可清晰观察的单根纤维。根据制造商的说明，利用扫描电镜系统软件提供的工具估算原始碳纤维的厚度和纤维长度。使用手术刀切割脆性材料。

然后通过比较被烧蚀纤维与原始纤维的厚度，估算纤维变薄的深度。结果表明，使用测厚仪测量的压区回缩量通常大于通过HSC成像获得的结果。在空气等离子体中，HSC测定的回缩速率差异不大，可能是由于烧蚀过程受扩散控制所致。

沿烧蚀表面距离绘制的CN总吸收强度相互之间具有良好的一致性。通过将低压和高压下的CN紫光实验光谱与模拟光谱进行比较，获得了气体温度。估算的温度表明，在低压下严重偏离热平衡状态。

在低压条件下，测得的温度分别为：转动温度8200开尔文，靠近壁面处的振动态电子温度约为21,000开尔文，且后者随着边界层的延伸而降低。这与高压条件下边界层内处于平衡状态的情况形成对比。显微图像表明，空气等离子体中的碳氧化导致纤维被烧蚀成冰柱状，氧化深度约为0.2毫米。

在一些烧蚀试验中观察到明显的火花现象，这可能是由于高温的纤维束从表面脱落所致。在氮气等离子体中进行烧蚀会导致纤维表面严重降解，从而通过氮化作用引起材料的缓慢消蚀。尽管关注这些现象是积极的，但需要牢记的是，对等离子体射流的实验研究和数值计算都是理解所获数据的必要条件。

该方法也可轻松应用于热解材料，以回答其他问题，例如不同材料在热解过程中释放的气体随时间如何变化，以及其时间尺度与表面烧蚀过程有何差异。该技术在开发完成后，为航空航天工程领域的研究人员提供了研究复合材料烧蚀模型的途径。利用材料在气相中的响应实验数据。

请注意，使用激光器和碳纤维材料可能存在危险，在进行此操作时需采取防护措施，例如穿戴实验服、手套和护目镜。