深部热疗仪

[color=#ff0000]摘要：薄的织物和隔热材料的逐渐广泛应用，使得现有各种测试方法已经无法满足这些材料导热系数和热阻准确测试的要求。本文详细介绍了现阶段对这些低导热薄材料热导率测试中存在的错误现象，从测试方法方面分析造成这些问题的原因，为今后准确测量提供参考和借鉴。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#ff0000][b]一、问题案例[/b][/color][/size]隔热材料作为有效阻断热量散失材料在各个领域发挥着重要重要，特别是在服装行业，薄的隔热织物越来越得到了重视和发展，为人体保温抗寒提供了更轻便和更舒适的面料。随着低导热薄织物的出现和技术发展，对薄织物的隔热性能，如导热系数和热阻，就提出了严峻的挑战，现有的各种测试方法都无法满足准确测量要求。如国内某机构研制开发了一种新型隔热面料，开发目的是设法采用纳米孔技术来大幅度降低面料的导热系数。面料的厚度为0.75±0.1mm，重量为48±2g/㎡，体积密度为65±11kg/m3,孔隙率为96%以上，闭孔率为95%以上，孔径30~190微米，壁厚为20~180纳米，面料如图1所示。此面料经不同检测机构采用多种测试方法进行了测试评价，导热系数测试结果如图2所示。[align=center][color=#ff0000][img=薄织物热阻和热导率测量,550,373]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206061135481562_7545_3384_3.jpg!w600x407.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1 新型隔热面料[/color][/align][align=center][color=#ff0000][img=薄织物热阻和热导率测量,550,221]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206061136137426_2566_3384_3.jpg!w600x242.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2 隔热面料导热系数测试结果汇总[/color][/align]从上述多种测试方法的导热系数测试结果可以看出，结果之间相差巨大，甚至出现了数量级的差别。特别是由纺织行业权威检测机构得到的超低导热系数测试结果（0.00824W/mK），严重误导了织物的提供方，织物提供方对这测试结果也表示怀疑，但检测机构也无法对测试的准确性进行核实。如图2所示，该薄织物还采用其他测试方法进行了导热系数测试，尽管没有出现太离谱的测试结果，但测试结果之间还是相差较大，测试结果显示出的是完全不同的隔热能力。鉴于上述混乱的导热系数测试结果，此织物的研发生产机构只能在官网上声明“导热系数是某某材料的核心数据。现有测试仪器和方法，无法测试出材料导热系数的绝对值。使用不同测试方法，供应用单位参考”。这是一个非常典型的无法得到准确测试结果的案例，此现象在纺织行业普遍存在。为彻底解决此问题，本文将针对薄织物的导热系数测试，从测试方法方面分析造成测量不准确的原因，为今后进一步开展新型测试方法研究提供参考和借鉴。[size=18px][color=#ff0000][b]二、薄织物和隔热材料导热系数测试方法分析[/b][/color][/size]在图2所示的导热系数测试结果中，几乎用到了现有的大多数标准测试方法，下面将对现有的已经和可能用于薄织物和隔热材料导热系数测量的各种测试方法进行分析。导热系数测试方法主要分为稳态法和瞬态法两大类，本文分析的具体路线是从稳态法和瞬态法的源头开始，然后延伸到相应的拓展方法，以期对多个测试方法的整体轮廓有一个清晰的概念。[color=#ff0000][size=16px][b]2.1 导热系数和热阻测试稳态法[/b][/size]2.1.1 稳态护热板法和稳态热流计法[/color]对于隔热材料导热系数测试，普遍采用的测试方法是经典的稳态护热板法（GB/T 10294)。稳态护热板法作为一种绝对法具有最高的测试精度，并同时用来校准相对测试方法稳态热流计法（GB/T 10295），其测量原理如图3所示。[align=center][color=#ff0000][img=薄织物热阻和热导率测量,550,358]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206061136309581_831_3384_3.png!w600x391.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图3 稳态护热板法测量原理示意图[/color][/align]为保证测量准确性，GB/T 10294标准文本做出明确规定，规定试件热阻不应小于0.1 m2K/W，规定用此来确定试件最小厚度。如果按照此规定，对于上述薄织物的0.75mm厚度，薄织物相应的导热系数不应大于0.0075W/mK才能符合规定。对于试件最小厚度做出规定，是因为试件太薄后试件内部热流分布不均匀和热场变形，并会造成试件上的温差很小，相应的温度传感器测量精度会在小温差测量上产生很大误差。由此，在标准文本中指出：当试件热阻低于0.1m2K/W时，表面温度的测量需要使用特殊的方法。冷板、中心量热计和护热板的表面应机械加工或切削平整、平行且不能有应力，同时它们的温度均匀性要求很高。这些要求在现实中很难实现或实现造价很高，因此对于厚度小于1mm的薄织物和隔热材料，稳态护热板法并不适合，很难满足导热系数准确测量的要求。对于稳态热流法导热系数测试，相应标准GB/T 10295给出了相同的最小热阻0.1m2K/W规定，同样需要按照此规定来确定试件最小厚度。由此可见，稳态热流计法同样存在温差测量不准确等一系列很难克服的问题，对于厚度小于1mm的薄织物和隔热材料，热流计法同样不适用。当然，在不得已的情况下，可以将多层薄织物叠加成厚试件以增大被测试件热阻来测量薄织物的导热系数。这种多层叠加形式在理论上确实能够测量导热系数，但最大问题是叠加过程中会在被测试件中产生空气隙而引入接触热阻，从而使得被测试件的热阻值变大，导致导热系数测试结果偏小，所以一般情况下不推荐采用多层叠加形式进行稳态法测量，除非被测试件比较柔软。[color=#ff0000]2.1.2 纺织品蒸发热板法[/color]纺织品蒸发热板法是一种上述稳态护热板法的一种变形，其基本原理完全基于稳态护热板法，不同之处是将图3稳态护热板法中的试件用空气层和被测试件来代替，以模拟人体散热和外部空气散热条件。 纺织品蒸发热板法目前执行的标准为GB/T 11048-2018，在具体测试中，通过从测定试件加上空气层的热阻值中减去空气层的热阻值得出所测材料的热阻值。需要特别注意的是，蒸发热板法中的热阻值与稳态护热板法中的热阻值并不能等效，这主要是因为以下不同：（1）蒸发热板法在测试热阻时，试件冷面处于空气对流传热环境；而稳态护热板法测试热阻时，试件冷面处于与冷板的导热传热环境。两种测试方法尽管原理相同，但边界条件和物理意义完全不同，蒸发热板法测试的是模拟环境下的等效热阻，稳态护热板法测试的是纯热传导环境下的导热热阻，在稳态护热板法中，根据此导热热阻和试件厚度，可以准确得到导热系数。（2）蒸发热板法中被测试件是平放在中心量热计上，试件靠自身重量与量热计接触。而稳态护热板法中试件通过上面的冷板加载一定的力与量热计接触，两者所形成的热接触效果完全不同，稳态护热板法中的接触热阻更小，即蒸发热板法中得到的试件热阻含有较大的接触热阻。（3）在蒸发热板法标准GB/T 11048中，只涉及了织物热阻的测量，并未涉及通过厚度和测量得到的热阻来计算获得织物的导热系数。这基本就意味着蒸发热板法不能用来测量导热系数。（4）另外，在蒸发热板法标准GB/T 11048中，规定可测量的最小热阻不能小于2m2K/W，与稳态护热板法和热流计法规定的0.1m2K/W最小热阻相比高了20倍，即蒸发热板法比较适合较大热阻的测量。根据上述分析，我们再来看图2得到的导热系数测试结果，就明显存在以下两大问题：（1）图2中的导热系数测量是依据GB/T 11048-2008，在此版本的蒸发热板法中，规定的热导率为热传导、热辐射和热对流的总和，是存在着三种传热形式的等效热导率，不能用此等效热导率与图2中的其他方法获得的纯导热传热过程的热导率相比较。（2）如果按照图2中的0.00824W/mK导热系数计算结果和0.75mm厚度可以反推出实际测量的热阻值，可得到热阻值为0.09m2K/W。显然此热阻值要远小于GB/T 11048-2008和GB/T 11048-2018中规定的最小可测热阻2m2K/W。从上述分析基本可以得出结论，即蒸发热板法不适合测量薄织物的热阻，更不适合测量纯导热性质的导热系数，这也是GB/T 11048-2018不再提热导率这个参数的主要原因。另外，检测机构出具图2所示的检测结果，也说明相关检测人员对标准方法GB/T 11048的适用范围还缺乏了解。[color=#ff0000]2.1.3 恒定热流法[/color]恒定热流法是上述稳态热流计法的一种变形，其测量原理与稳态热流计法完全相同，同样采用了热流计来测量流经试件厚度方向上的热流密度，不同之处在于采用了独特的技术手段来测量薄试件厚度方向上的小温差，并且可以加载压力以保证较小的接触热阻和准确控制试件厚度。恒定热流计法的相应标准为ASTM D5470，这种方法普遍用于薄型导热胶垫和固态电绝缘板材的导热系数和热阻测量。根据测量原理，恒定热流法应该比较适合薄织物和隔热材料的热导率和热阻的测量，但在具体测试过程中流经薄试件的热流密度很小，这就对热流密度测量精度提出了很高要求，现有执行标准ASTM D5470的测试仪器还无法实现如此小热流的准确测量，需要研发测量精度更高的测试设备以满足低导热薄片样品的测试要求。[color=#ff0000][b]2.2 导热系数测试瞬态法[/b]2.2.1 瞬态平面热源法（HOT DISK法）[/color]在图2所示的薄织物导热系数测试案例中，显示了采用瞬态平面热源法（HOT DISK法）的测试结果。已经有很多研究并报道了这种方法在低导热系数测试中存在测试结果偏高很多的现象，这方面的详细介绍及其解决方案可在网上搜索上海依阳编写的《气凝胶隔热材料超低导热系数测试中存在的问题及解决方案》应用报告。在瞬态平面热源法导热系数测试中，最大的问题是测量准确性无法进行考核。在稳态护热板法和热流计法中可以采用不同厚度标准参考材料来考核热阻的测量精度，而在HOT DISK法中只能测量热导率而无法测量热阻，那么对于导热系数低于标准参考材料数值0.03W/mK的低导热材料，就根本无法考核其测量的准确性。总之，瞬态平面热源法（HOT DISK法）也不适合测试低导热系数的薄织物和隔热材料。[color=#ff0000]2.2.2 闪光法[/color]闪光法作为一种应用最为普遍的绝对法，广泛用于各种固体材料的热扩散系数测量。但闪光法对于薄织物和隔热材料并不适用，主要原因如下：（1）对于低导热的薄织物和隔热材料，隔热性能比较好，热阻比较大，闪光信号很难传输到样品背面，信噪比较差，测量误差较大。（2）薄织物和隔热材料，多为多孔材料且透光，闪光加热很容易穿透被测试件。如果对试件表面进行遮光处理，遮挡涂层很容易进入试件孔隙而改变试件的导热系数。[size=18px][color=#ff0000][b]三、结论和今后工作[/b][/color][/size]通过上述薄织物和隔热材料测试案例和现有各种测试方法的分析，可以得出以下结论：（1）现有的各种导热系数测试方法，不论是稳态法还是瞬态法，都无法满足薄织物和隔热材料导热系数准确测试的需求。各种测试方法都有各自的局限性，没有一种完全适合低导热系数薄试件的测试方法。特别是目前用于纺织品热阻测量的GB/T 11048-2018测试方法，还存在很多问题，其中测量的热阻值应为等效热阻，是多种传热机理的复合作用结果，这很容易误导纺织品的开发人员。有关GB/T 11048-2018测试方法的更详尽研究分析，将在后续专文进行论述。（2）由于缺乏准确的测试方法，给新型织物材料的研究和研制带来的不便和困难，无法通过准确的热导率和热阻测量来调整材料的相应工艺。（3）对于薄织物和隔热材料的热导率测试，需要解决小温差和低热流密度精密测量难题，需要解决材料透光性的影响，这些都是今后工作的主要内容。（4）现有大多数采用稳态法的热阻和热导率测试仪器，所要求的样品尺寸太大，如大多采用面积为300mm×300mm的样品。对于薄织物和隔热材料的热导率测试，如果要实现高精度测量，如此大的样品尺寸势必会增大测试仪器的护热、机加工和热应力变形等方面的技术难度和造价。因此，对于厚度小于1mm的被测样品，完全可以采用小尺寸样品，如50mm×50mm，同样可以保证稳态下的一维热流。（5）对于难度最大的小温差准确测量，可以借鉴闪光法而避开热导率的直接测量，可通过测量热扩散率来间接获得热导率，热扩散率的测量则可以采用频域技术，通过频域技术可以非常准确的将温差信号转换为频域信号。这可能将是今后的一个重要研究方向。（6）另外，表征薄织物的热性能参数中，除了导热系数和热阻之外，还涉及到人体触摸织物的冷感或热感表征参数：吸热系数。最好有新型测试方法能将这些热性能参数进行整体考虑和测试，为织物热性能提供完整的准确测试评价。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

随着IT行业的发展，特别是这些年手机行业的飞速发展，出现了一些新型热界面材料，对热界面材料热性能的测试和可靠性考核提出了更高的要求。由于热界面材料的类型较多，热界面材料的热性能测试和考核方法确实比较杂乱，最近也一直有朋友和客户咨询这方面的问题。为了梳理清楚热界面材料热性能测试和可靠性考核方法，更便于提供有效的测试评价手段，我们在热界面材料热性能测试和可靠性考核方面做了一些工作，这里我们将逐步介绍这些研究工作的内容以供大家参考和讨论。1. 前言 热界面材料TIM（Thermal Interface Materials）作为一类用于两种材料间的填充物，是热传递的重要桥梁。这类材料是一种具有较高的导热系数，容易形变，能有效降低界面间热阻的材料。 目前市场常用的热界面材料主要包括以下几种类型： （1）导热脂：导热脂是目前应用最广泛的一种导热介质，它是一种脂状物并具有一定的黏稠度，没有明显的颗粒感。 （2）导热胶：导热胶的特点是具有一定的黏合力，可以制成各种脂状和片状形式并具有一定的柔韧性，可以很好的贴合功率器件与散热器件或填充器件之间的间隙并不易发生边缘流溢，从而达到最好的导热及散热目的。 （3）相变导热材料：相变导热材料一般为低熔点金属复合材料薄片，在一定温度区间内会发生固液相变，并在装卡压力作用下流进并填充发热体和散热器之间的不规则间隙内，挤走空气，形成良好的导热界面。 （4）石墨（石墨烯）垫片：石墨（石墨烯）垫片采用特殊的制作工艺，具有极佳的导热导电和耐温性能，特别适合于不需要绝缘的高温散热场合。 衡量热界面材料的重要技术指标是导热性能，而导热性能的两个主要参数是导热系数和热阻。对于一定厚度的热界面材料，导热系数与热阻是一种互为倒数乘以厚度的关系。从理论上来说，知道热界面材料的实际厚度后，只要测量出导热系数和热阻这两个参数中的任意一个，就可以计算出另一个参数。但由于热界面材料的种类繁多，再加上热界面材料使用过程中实际厚度较小和具有加载压力的因素，使得导热系数和热阻的这个简单关系中相关量变得复杂和难以准确测量，由此使得热界面材料导热系数和热阻的测试评价方法十分混乱。 针对目前热界面材料热性能多种测试方法并存的现状，本文对目前市场上国外厂家的热界面材料产品进行了统计和分析，并对热界面材料热性能的主要测试方法和可靠性试验方法进行了汇总，展现了国外热界面材料厂商如何选择相应的测试方法，以期对今后热界面材料导热性能测试评价技术的研究提供参考和借鉴。 本文重点选取了美国莱尔德公司的热界面材料进行统计和分析，这主要是因为莱尔德公司相对于其他热界面材料厂商在官网上提供了最为详细的技术资料。2. 导热脂类热界面材料 导热脂类热界面材料是目前应用最为广泛的一种热界面材料，莱尔德公司导热脂产品的相关技术资料是众多厂家中最为全面的，尽管有些资料不是非常完整，但也是所能看到的唯一一家所提供的技术报告非常详细的公司，这为我们进行统计和分析提供了便利。2.1. 莱尔德公司导热脂类热界面材料的热性能指标 从莱尔德公司的官网上可以看到有五种牌号的导热脂热界面材料，根据官网所提供的各个牌号的公开技术资料，可以得到这五种牌号导热脂的导热系数和热阻数据以及相应的测试方法，如表 2.1所示。表 2.1 莱尔德公司导热脂热界面材料导热性能指标和测试方法http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051119574021_01_3384_3.jpg2.2. 测试方法分析 通过以上各种牌号导热脂的技术指标和各种老化考核试验结果，可以获得以下信息： （1）莱尔德公司对其所有导热脂产品的导热系数测试都采用的瞬态平面热源法（HOTDISK法）。HOTDISK方法对于这类脂状的热界面材料确实是非常简便和准确的方法，只需在恒定温度环境下将导热脂完全包裹住HOTDISK探头就可以进行测量，通过这种方法可以非常准确评价不同导热脂导热性能以指导工艺和生产，而且这种方法是一种绝对法，不需要其他方法进行校准。 （2）莱尔德公司对导热脂热阻的测量还是采用经典的ASTM D5470方法，这主要是为了测量导热脂在不同加载压力下的热阻，毕竟在不同压力下导热脂的热阻值不同。 （3）在使用HOTDISK测试方法之前，莱尔德公司是采用ASTM D5470方法测量导热系数，即在线测量出不同加载压力时导热脂的厚度值，然后再除以表 2‑1中对应的所测量得到的热阻值，就可以得到不同加载压力下的导热系数。由此可见，对于导热脂这种脂类材料，莱尔德公司现在已经摒弃了ASTM D5470这种导热脂导热系数测试方法，没有给出原因，也没有看到两种导热系数测试方法的对比测试分析。但据我们的经验和分析，这主要是因为ASTM D5470这种方法是一种相对法，测量误差要比HOTDISK方法的测试误差大很多，造成误差大的原因是在压力加载情况下导热脂的厚度很难精确测量。 （4）莱尔德公司所有的热阻测量都没有提到测试温度，有可能按照ASTM D5470中的规定温度进行热阻测量。3. 导热胶类热界面材料3.1. 莱尔德公司导热胶类热界面材料的热性能指标 导热胶类热界面材料也是目前应用非常广泛的一种热界面材料，而且导热胶的形式很多以满足不同需要，莱尔德公司将这类热界面材料归类为热填隙料（Thermal Gap Fillers）。从莱尔德公司官网上可以得到近18个系列牌号导热胶的导热系数和热阻数据以及相应的测试方法标注，如表 3.1所示。表 3.1 莱尔德公司导热胶（填充料）类热界面材料导热性能指标和相应测试方法http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051120034447_01_3384_3.jpg3.2. 测试方法分析 莱尔德公司的导热胶（热填隙料）类材料有脂状和片状两种形式，按照上述导热脂导热系数的测试技术逻辑，所有脂状导热胶的导热系数都应该采用HOTDISK方法进行测量。但从表 3‑1中可以看出，莱尔德公司在导热胶导热系数测试方法的选择上似乎非常混乱，采用HOTDISK方法既测量脂状导热胶也测量片状导热胶。同样，采用D5470A方法也是如此，看不出一个明显的测试方法选择原则。 例如，对于TputtyTM 504这种典型脂状热填隙料，导热系数测试采用的是D5470A方法，而对于相同脂状热填隙料TputtyTM 403则采用的是HOTDISK方法。 例如对于Tflex™ HR200这类片状热填隙料，导热系数测量采用的是HOTDISK方法，而对于具有类似硬度的片状热填隙料Tflex™ HR400则采用的是D5470A方法。 根据HOTDISK测试方法和测试能力，HOTDISK对脂状和片状热填隙料的导热系数都可以进行测量。根据实际测试经验，我们从具体测试的便利性方面分析，认为莱尔德公司在测试方法的选择上可能有一个前提条件，这个前提条件就是粘度和清洗的便利性。在HOTDISK导热系数测试中，HOTDISK薄膜探头要与被测热填隙料接触，如果热填隙料太粘或不易清理则容易损坏HOTDISK薄膜探头。但对于D5470A方法则不存在这种现象，在D5470A方法测试中与被测热填隙料接触的是金属块。4. 相变类热界面材料4.1. 莱尔德公司相变材料热性能指标 从莱尔德公司官网上可以得到近7个系列牌号相变材料的导热系数、热阻数据以及相应的测试方法标注，如表 4.1所示。表 4.1 莱尔德公司导热胶（填充料）类热界面材料导热性能指标和相应测试方法http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051120095158_01_0_3.jpg[align=cente

由于塑料的轻便和便宜,随处可以用到塑料。下面就简单介绍一下塑料的各种特性和用途。塑料为合成的高分子化合物,可以自由改变形体样式。塑料是利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成的,它的主要成分是合成树脂。广义的塑料定义指具有塑性行为的材料,所谓塑性是指受外力作用时,发生形变,外力取消后仍能保持受力时的状态。塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间受力能发生一定形变。软塑料接近橡胶,硬塑料接近纤维。狭义的塑料定义是指以树脂(或在加工过程中用单体直接聚合)为主要成分以增塑剂、填充剂、润滑剂、着色剂等添加剂为辅助成分,在加工过程中能流动成型的材料。由于生产塑料的企业越来越多，对原料的质量把控尤为重要。国家相继推出针对塑料行业的测试仪器以及测试标准。 在塑料的热分析测试中，DSC差示扫描量热仪用的频率最高。主要用来针对塑料的氧化诱导时间测试、玻璃化转变温度测试、固化度、结晶、分解温度等等，相对应国标有GBT 19466.6-2009，GBT 23257-2009等。由于差示扫描量热仪研发技术难度大，目前国内做的比较成熟的没几家，南京大展机电技术研究所是国内热分析仪器做的最早的一家，1992年左右就推出了差示扫描量热仪，目前塑料行业市场用的比较多，做的比较成熟。另外一家，北京恒久科学仪器有限公司，也是国内做的相对比较早的，1996年公司成立的，也是相对做的比较成熟的。这几年由于国内市场需求量大，国外进口设备也在陆续进入中国市场，如德国耐驰、美国的TA、日本的岛津等等。 根据塑料性能不同，可以将塑料分为两大类，分别是热固性、热塑性。热固性塑料主要以树脂为主，树脂的一个主要测试项为玻璃化转变温度，即物质由固态向玻璃态（粘流态）转变的温度；热塑性塑料主要是用在给水管道等方面的通用性塑料，主要测试其氧化诱导时间。根据塑料的特性以及测试要求，将塑料的分类大致如下图：[img=,608,597]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/07/201707031717_01_2781725_3.png[/img] （上面的分类图自己绘的图，一格一格画的，画的对称性不是很好，大家见谅） DSC差示扫描量热仪针对热塑性塑料的氧化诱导时间测试图谱及图谱分析，如下图： [img=氧化诱导期图谱,690,361]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/07/201707031721_01_2781725_3.png[/img] 如上图所示，氧化诱导期测试的步骤为，在氮气氛围保护下，仪器升到200℃，然后切换成氧气（注意：很多标准要求，达到200℃时，恒温5分钟之后，再通氧气，目的是让温度更加稳定），选配气体时，气体的纯度要高。通过软件分析，通氧之后40分钟左右，出现向上的一个氧化峰，表示氧化了，分析得出氧化诱导时间OIT=40.60min。由于现在很多塑料颗粒的生产厂商，都是通过一些回料、废料，加入抗氧剂，再次生产利用。由于生产搅拌不均匀，导致抗氧剂分散的也不均匀，最终同一批料可能会出现，氧化诱导时间有长、有短。建议同一批料，在不同位置取样，做三次分析。 DSC差示扫描量热仪针对热固性塑料的玻璃化转变温度测试图谱及图谱分析，如下图： [img=,690,360]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/07/201707041141_01_2781725_3.png[/img]如上图所示，树脂的玻璃化测试，第一个峰是玻璃化转变温度Tg，后面的一个固化峰，接着是融化峰。这边只对玻璃化进行分析，玻璃化转变是非晶态高分子材料固有的性质，是高分子运动形式转变的宏观体现，它直接影响到材料的使用性能和工艺性能，因此长期以来它都是高分子物理研究的主要内容。由于高分子结构要比低分子结构复杂，其分子运动也就更为复杂和多样化。根据高分子的运动力形式不同，绝大多数聚合物材料通常可处于以下四种物理状态(或称力学状态):玻璃态、粘弹态、高弹态(橡胶态)和粘流态。而玻璃化转变则是高弹态和玻璃态之间的转变，从分子机构上讲，玻璃化转变温度是高聚物无定形部分从冻结状态到解冻状态的一种松弛现象，而不象相转变那样有相变热，所以它既不是一级相变，也不是二级相变 (高分子动态力学中称主转变)。在玻璃化转变温度以下，高聚物处于玻璃态，分子链和链段都不能运动，只是构成分子的原子(或基团)在其平衡位置作振动 而在玻璃化转变温度时分子链虽不能移动，但是链段开始运动，表现出高弹性质，温度再升高，就使整个分子链运动而表现出粘流性质。以玻璃化温度为界，高分子聚合物的物理性质随高分子链段运动自由度的变化而呈现显著的变化，其中，热容的变化使热分析方法成为测定高分子材料玻璃化温度的一种有效手段，以DSC测试为例，当温度逐渐升高，通过高分子聚合物的玻璃化转变温度时，DSC曲线上的基线向吸热方向移动(如上图，玻璃化温度达到时，基线向下移动)。通过变化前，以及变化后的切线分析得出，该样品的玻璃化转变温度Tg=78.6℃[img=,61,112]http://bbs.instrument.com.cn/xheditor/xheditor_skin/blank.gif[/img][img=,56,134]http://bbs.instrument.com.cn/xheditor/xheditor_skin/blank.gif[/img][img=,61,136]http://bbs.instrument.com.cn/xheditor/xheditor_skin/blank.gif[/img][img=,49,99]http://bbs.instrument.com.cn/xheditor/xheditor_skin/blank.gif[/img][img=,288,40]http://bbs.instrument.com.cn/xheditor/xheditor_skin/blank.gif[/img][img=,46,2]http://bbs.instrument.com.cn/xheditor/xheditor_skin/blank.gif[/img][img=,46,4]http://bbs.instrument.com.cn/xheditor/xheditor_skin/blank.gif[/img]

[b][color=#3333ff]摘要：美国海军正在寻求导热系数达到希望能达到1200W/mK的热界面材料，这对热管理专业人士是一个热门话题，无论在材料研制和导热性能测试方面都是一个挑战。[/color][/b][align=center]=======================================================================[/align][align=center][img=NAVY,690,388]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709021112_01_3384_3.png[/img][/align][b][color=#3333ff]1. 简介[/color][/b] 美国国防部（DoD）于2017年发布的第一个小型企业创新研究（SBIR）公告已经出炉，由美国海军提出的[color=#ff0000]主题N171-081“用于储能设备和其它电子元件的高性能热界面材料（TIMs）”[/color]，以寻求导热系数和其他性能指标提高多个数量级的TIMs，这对热管理专业人士是一个热门话题。 正在开发的海军舰船用储能系统预计将以高充放电率和高负荷周期运行，这将给热管理技术带来严峻挑战。维持狭窄区间内电池温度变化对于舰船电源系统的性能和电池寿命至关重要，温度升高会导致循环寿命降低，并可能对电池造成安全隐患。电池中的温度梯度也可能导致其运行在不稳定状态。海军所用电池通常放置在热沉结构中，其中电池单元和热沉之间的热接触必须最小化，以确保有效的热管理解决方案。[align=center][img=Thermal Interface Mterials,500,310]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709021111_01_3384_3.jpg[/img][/align] SBIR寻求新型绝缘和高导热TIMs，这就要求TIM必须承受振动和磨损，并且便于对电池模块进行维护，TIM不能形成永久性粘合，即可维护性是主要要求之一。TIM还必须适应不规则间隙宽度和/或不规则夹紧力，该材料必须是不易燃无毒，并且要求在作业过程中不得配备任何人身安全装备（手套、面罩、呼吸器等）。[b][color=#3333ff]2. 热界面材料（TIMs）现状[/color][/b] 热界面材料的关键性能是热阻和导热系数，请看下图所示不同材料的导热系数比较图。[align=center] [img=thermal conductivity,690,295]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709021112_02_3384_3.png[/img][/align] 如上图所示，目前大多数最先进TIMs的导热系数基本都是个位数，为了实现TIMs几个数量级的改进，更高导热系数的材料如金刚石和石墨烯将需要注入到TIM中。[b][color=#3333ff]3. 海军正在寻找什么[/color][/b] 美国海军首次宣布的三阶段新型热界面材料开发的努力旨在用于其军事化电池模块，由小企业开发的TIM必须满足TIMs所有特征的改进： （1）坚固性以满足振动和磨损要求 （2）非永久性粘接性（可维护性） （3）高介电强度 （4）高导热性 在考虑到上述挑战时，SBIR所征集寻求的热界面材料需具有无与伦比的热性能。有趣的是，对各种先进材料（如纳米材料、相变材料和复合材料等）的使用SBIR[b]表示鼓励但并不需要[/b]！材料选择中使用的相关指标如下： （1）传热面积（单电池单元）：8平方英寸至60平方英寸 （2）每个电池模块中单元数量：12～48 （3）电池单元表面热流密度：3～7kW/ m2 （4）热沉材料和粗糙度：铝，机加工 （5）标称温度：40～70℃ （6）最高温度：150℃ （7）跨单电池单元的间隙和接触压力：可能范围从50毫英寸间隙对于100 psi接触压力（如果可能，允许更大间隙尺寸） [color=#ff0000][b]（8）传热系数：阈值2000W/(m2K），目标：5000W/(m2K）。[/b][/color] （9）电气绝缘等级：阈值2000V，目标5000V （10）易燃性：符合ASTM D1000和UL 94等塑料材料的公认标准。对于其他材料类型应采用类似标准。 （11）抗机械冲击性：参见MIL-S-901D （12）抗振性：参见MIL-STD-167-1A （13）运输性和其他环境兼容性：请参阅MIL-STD-810G 在第一开发阶段，小企业先确定出一个或多个热界面材料用于在第二和第三阶段的预期开发。小企业需要通过测试来证明所做的分析和选择的可行性，以此来探索如何达成既定目标。第一阶段的重点是传热系数、电绝缘性、抗振/耐磨性、符合不规则间隙、制造成本以及对其他军事或工业客户的适销性/过渡性。 在第二开发阶段，小企业需要进一步开发第一阶段确认和选择的热界面材料。在此阶段需要生产原型材料，并可能需要对材料成分或制造技术进行迭代。原型材料将根据海军规程进行测试以确保合适的测试条件。 在第三阶段，小型企业需要与海军和适用行业合作伙伴合作，以展示由海军指定的经历高速运行的电池模块用热界面材料。 从以上海军对热界面材料的要求中可以看出，非常有趣的是导热性能要求。在上述阈值和目标值范围内，对于0.050in间隙和8in2区域，要求具有从[b][color=#ff0000]500W/mK到1200W/mK的等效导热系数[/color][/b]。毫无疑问，在这些导热系数范围内的TIMs填料将需要碳基材料，但为了使电绝缘的TIM具有非常高的导热性肯定是需要一些聪明才智！ 美国海军对热界面材料高导热性要求，还提出一个严峻的挑战就是如何准确测量厚度在50毫英寸、压力在100 psi的超高导热系数。现有最先进的热界面材料导热系数基本都在10W/mK以下，采用的方法多为恒定热流法（ASTM D5470）、瞬态平面热源法（ISO 22007-2:2008）或激光闪光法（ASTM E1461），这些方法都已经无法满足一定压力下超高导热系数（或超低接触热阻）的准确测量，还需要开发新型测试方法和设备才能保证新型热界面材料的研制、生产和质量控制。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

1. 前言 通过前两篇帖子对莱尔德公司各种热界面材料技术参数的分析可以看出莱尔德公司对热界面材料的热性能测试采用了四种测试方法，分别为改进的ASTM D5470方法、HOTDISK方法、闪光法和实际导热性能考核法。这四种方法也是目前业界普遍认可和使用的方法，下面将简要介绍这四种方法在热界面材料热性能测试评价中的具体应用。2. 改进的ASTM D5470方法 ASTM D5470导热型电绝缘材料热传输性能标准测试方法（Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials）是热界面材料的传统测试方法，应用十分广泛。按照该标准的描述，D5470适用于以下三类热界面材料的测试： （1）Type 1：在受到应力后显示出无限形变的粘性液体。包括液态混合物，如油脂，胶及相变材料。这些材料不显示出弹性特征，在移除应力后无回复到原始状态的趋势。 （2）Type 2：粘弹性固体。形变应力并最终与材料内部的应力保持平衡，因而限制了更大的形变。如凝胶，软硬橡胶。这些材料显示出与材料厚度相关的线性弹性特征。 （3）Type 3：微小形变的弹性固体，包括陶瓷，金属以及某些塑料。 ASTM D5470的主要功能在于测量材料的热阻，但如果试样与热阻仪的接触热阻较之试样自身热阻非常微小（一般小于1%），则可以通过测出的热阻及试样厚度直接计算出被测试样的导热系数。需要特别注意的是此时得到的导热系数为等效导热系数或表观导热系数，是被测试样在试样平均温度下的导热系数。 如果试样与热阻仪的接触热阻比较大，那么试样的等效导热系数可在一些列试验后排除接触热阻后精确得出。即先测试不同厚度试样的热阻，再绘制出热阻对厚度的坐标图，则绘制出的直线斜率的倒数即为试样的等效导热系数。在零厚度时的热阻即为试样与热阻仪两接触面的接触热阻之和。 ASTM D5470方法的测量原理和相应的热阻测定仪如图 2.1所示。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051223342865_01_3384_3.jpg图 2.1 ASTM D5470测量原理和相应的热阻测定仪 目前绝大多数热阻测定仪都对ASTM D5470方法进行了改进，主要的改进点体现在以下两方面： （1）ASTM D5470方法中规定热阻测量过程中的加载压力为100 500psi。就算最小的100psi加载压力也常常超过热界面材料实际工程应用时的加载压力。因此，热阻测定仪一般都把这个加载压力进行了调整，加载压力可以精确的控制到最小1psi，这样就可以满足不同工况下的热界面材料热阻测量。 （2）增加了在线厚度测量装置，可以实时测量试样加载后的厚度。 需要注意的是ASTM D5470是一种相对法（或二级方法），这种方法是采用已知导热系数的高导热材料作为热流计来测量流经试样上的热流密度。因此，热流密度的测量准确性首先要取决于热流计材质导热系数的测量准确性。3. HOTDISK方法 HOTDISK方法是一种瞬态测量方法，又称为瞬态平面热源法。HOTDISK方法作为一种绝对的热导率测量方法，在理论上可以达到很高测量精度。在被测试样尺寸和其它要素满足测试方法规定的边界条件时，热导率的测量范围理论上可以没有限制。因此，对于均质材料，采用瞬态平面热源法不失为一种操作简便和测量精度高的有效方法，在温度不高的范围内（-196℃~200℃），这种方法可以作为一种标准方法来使用，并与其它热导率测试方法一起形成有效的补充和相互比对，甚至可以用于校准其它测试方法。 瞬态平面热源法已具有国际标准测试方法，即ISO 22007-2:2008 Plastics-Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity-Part 2: Transient plane heat source (Hot Disk) method。 如图 3.1所示，Hot Disk探头是一种两片绝缘薄膜夹持双螺旋金属薄带的薄片结构，绝缘薄膜既起到强度支撑作用又具有电绝缘功能，整个HOTDISK探头既作为通电发热源又作为温度探测器使用。 在测试过程中，HOTDISK探头被夹持在两个被测试样中间，在试样和探头温度达到恒定后，在探头上加载一个短时间的固定电流，探头通电后产生热量，热量向四周的被测试样进行散热，使得探头和试样的温度升高。探头和试样的温度上升范围一般为0.5～5℃，通过测量探头的电阻变化可以获得探头温度整个变化过程，然后根据加载电流的大小和时间以及其它参数，可以计算出被测试样的导热系数。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051223350830_01_3384_3.jpg图 3.1 HotDisk探头 HOTDISK方法针对不同的被测试样厚度有不同的测试模型和测试形式，针对众多形式的热界面材料，HOTDISK方法一般采用三种测试模型和相应软件，分别是块状模型、薄板模型和薄膜模型。3.1. HOTDISK块状试样测试方法 在块状试样测试方法中，如图 3.2所示，要求HOTDISK探头在通电加热所发出的热量，在整个测试过程中热量（或热波）不能达到试样的边界。由此可见，在块状试样测试时，被测试样尺寸要求较大较厚，从而满足测试模型要求。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051223352816_01_3384_3.jpg图 3.2 HOTDISK块状试样测试模型 在众多热界面材料中，导热脂和导热胶类热界面材料非常适合采用HOTDISK块状试样测试方法进行导热系数测量，如图 3.3和图 3.4 所示就是采用HOTDISK块状测试方法对导热脂和导热胶片测试时的试样及探头安装形式。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051223470761_01_0_3.jpg图 3.3 HOTDISK法块状形式测试中的导热脂试样和探头装配形式 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051223472136_01_3384_3.jpg图 3.4 HOTDISK法块状形式测试中厚片状导热胶试样和探头装配形式 对于热界面材料，在HOTDISK块状法测量过程中，被测试样的最小厚度一般为20～25mm，最佳厚度最好在40mm以上，导热系数测量范围为0,005～500 W/(mK)，导热系数测量重复性为±2%。3.2. HOTDISK薄板试样测试方法 对于薄板或薄片状材料，HOTDISK方法中有专门的测试模型和相应软件模块用于导热系数测量，所测试的导热系数是试样整体的导热系数，而不是面内方向的导热系数。如图 3.5所示，测量时先选择两块厚度一致的样品，精确测量样品厚度后，将两块薄板样品分别放置于探头的两边，然后用两块相同材质的绝热隔热材料压紧，使探头与样品之间没有空隙，以保证探头产生的所有热量均为样品所吸收。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051223531345_01_3384_3.jpg[color=#3333f

下图是ASTM D5470测试方法中的测试模型，采用ASTM D5470热阻测定仪或导热仪使用中测量精度的影响因素主要有以下几个方面：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/03/201503182256_538771_3384_3.png 1. 针对不同的热阻范围需要采用不同热流测量范围的热流计，这就需要采用不同材质来制作热流计，如分别采用不锈钢和铜等材料制成不同测量范围热流计。一般热流计金属棒上插入了多只温度传感器以及外围的隔热材料组件，在不同热流计测试过程中，这就使得操作人员不可能去更换对应的热流计，如此就必须配置和购买至少两套热阻测定仪或导热仪来覆盖尽可能宽泛的热阻和热导率测量范围。很多测试机构为了节省经费一般只购买一套设备来进行全量程的测试，这就使得在某一区间的热阻和导热系数测量存在巨大误差。 2. ASTM D5470方法中，是通过测量热流计金属棒轴向上的温度分布来计算获得流经试样的热流，而温度分布是通过间隔布置在金属棒上的多只温度传感器进行测量来获得。由于金属材料的导热系数很大，这就使得两两温度传感器之间的温度差很小，为了保证准确测量出热流计棒上相应位置处的温度，必须采用更高测量精度的铂电阻温度传感器，采用测量精度不高的热电偶往往会带来较大误差。 3. 上下两个热流计的尺寸完成一致，并要求压紧试样过程中上下两个热流计要完全对准，而且要求两个热流计的端面平行度和端面光洁度非常高，以免造成被测试样的厚度不均匀和热流计端面粗糙所带来的接触热阻，这就对热流计的上下移动机构和对准机构的精度要求非常高，这部分内容占了整个ASTM D5470热阻测定仪或导热仪的大部分费用。考核ASTM D5470热阻测定仪或导热仪测量精度的一种方法是空载测试，即不加载任何被测试样，只使得上下两个热流计金属棒直接对准接触，由此测量出此时的接触热阻，此接触热阻就是仪器的最小热阻分辨率，这个空载热阻测量值越小，说明导热仪的测量分辨率越高，测量试样时越是容易达到更高的测量准确度。 4. 热阻测量准确度除了与温度测量准确度有关外，还与试样上的加载压力测量准确度有关，因此压力传感器要具有一定的准确度才行。同时，金属棒热流计和被测试样在受热时会受热膨胀，在膨胀过程中势必会引起压力的改变，因此热阻或导热系数测量要在温度和压力都稳定的情况下测量，否则也会带来误差。 5. 引起热阻或导热系数测量误差的另外一个重要因素是热流计和试样的散热影响，尽管很多测试设备都在金属热流计和试样外部都采取了一定的隔热措施，如采用隔热材料进行包裹，但还是会有部分热量会从热流计和试样上流失。最有效的办法是采用等温绝热措施，即在热流计棒和试样外部增加绝热屏，绝热屏上的温度分布与热流计金属棒和试样上的温度分布相同，通过等温绝热来消除热损失的影响。但这势必会大幅度的增加测试设备的造价。 6. 由于试样导热系数等于试样厚度除以试样热阻，因此采用ASTM D5470方法测量导热系数时要求精确测量被测试样的厚度，但恰恰这是最困难的事情。对于刚性材料来说，被测试样可以比较厚并且不宜变形，可以在进行实验前进行测量。但对于柔性材料，如导热酯、导热硅胶、硅胶导热片等，试样的厚度在压力加载后会发生改变，这就需要配置在线厚度测量装置。另外，在柔性试样加载后，试样厚度往往会降低到几十至几百微米，这对在线厚度测量来说几乎不可能实现准确测量，因此，厚度测量的准确度是采用ASTM D5470方法时带来误差的最大因素。我们可以经常看到国外厂家导热材料的性能指标中只提供热阻数据而没有提供导热系数数据，就是因为厚度测量几乎无法实现。就算有厂家能提供出导热系数数据，哪这个数据也会存在巨大的误差。

[color=#990000]摘要：本文针对低温用绝热材料/系统的热性能测试，基于ASTM C1774标准指南，综合目前国际上基于低温稳态护热技术的文献报道和测试设备，介绍了各种低温绝热材料热性能的测试方法和相应测试设备，为今后国内相应低温绝热材料热性能测试方法和测试设备的建立和改进提供参考。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000]一、概述[/color][/size] 低温用绝热材料/系统的热性能测试，要比其他材料的热性能测试复杂的多，这主要是由以下几方面的因素引起： （1）材料形式多样：低温用绝热材料/系统的一般形式为散装颗粒和粉末、毯子、分层、面板、以及多层复合系统。材料的例子包括泡沫（闭孔或开孔）、纤维绝热产品、气凝胶（毯子或散装或包装）、多层绝热系统、多孔玻璃泡沫复合板、聚合物复合材料或量散装料，如珍珠岩粉和玻璃泡。 （2）热导率变化范围大：低温用绝热材料/系统的使用环境通常是从真空到常压，在此真空压力范围内，低温绝热材料的热性能可以有四个数量级的变化，有效热导率范围为0.010mW/mK至100mW/mK。绝热材料和系统热性能的主要控制因素是使用和测试环境的真空压力，高真空的有效热导率通常在0.010mW/mK到2mW/mK范围内，非真空时通常在10mW/mK到30mW/mK范围内，软真空时通常介于这两个极端之间。 （3）环境压力范围大：对于低温用绝热材料的真空压力范围，按照ASTM标准指南分为三个区间：高真空（HV，即小于1mTorr）、软真空（SV，即约100mTorr）和无真空（NV，即1个大气压或约760Torr）。 （4）大温差：低温绝热材料/系统的主要功能是提供高水平的绝热性能并保持较大温差，如对于液氦、液氢和液氮制冷剂，低温绝热材料的冷面就会是4K、20K和77K，而热面则为293K的室温，由此形成200K以上的大温差。 综上所述，为了评价低温绝热材料/系统的热性能，关键是需要在有代表性和可重复的条件下进行测试，需模拟出材料实际组合和使用方式，在被测样品上建立大温差和特定残余气体的真空压力环境，并使用灵敏的技术手段检测出透过绝热材料的微小热流。除此之外，还需面对包括材料冷收缩后的厚度测量和表面接触热阻等因素的挑战。 由于低温用绝热材料的热导率普遍较低，且在材料内存在巨大温差，目前的绝热材料低温热导率测试只能基于传统的稳态法。另外，由于在使用和测试过程中的穿过低温用绝热材料的热流密度极小，通常在1W/㎡以下，这已远超现有热流传感器的探测能力，因此传统的大温差稳态热流计法无法使用，绝热材料低温热导率测试方法完全基于稳态护热技术。 本文针对低温用绝热材料/系统的热性能测试，基于ASTM C1774标准指南，综合目前国际上基于稳态护热技术的文献报道和测试设备，介绍低温绝热材料热性能的测试方法，为今后国内相应低温绝热材料热性能测试设备的建立和改进提供参考。[size=18px][color=#990000]二、低温绝热材料热性能测试方法分类[/color][/size] 低温绝热材料热性能测试的核心是要在大温差和特定真空压力环境下检测出流经被测样品厚度方向上一维热流。为了减少侧向热损，低温绝热材料热性能的各种测试方法基本都基于稳态护热技术，被测样品有圆筒状和平板状两种。对于圆筒状样品，测试方法借鉴了ASTM C335“管状绝热材料稳态传热性能测量的标准试验方法 ”；对于平板状样品，借鉴了ASTM C177“采用防护热板装置进行稳态热流密度和传热性能测量的标准试验方法”。 为了实现被测样品冷热面的大温差，各种测试方法或采用低温制冷剂（典型有液氦、液氢和液氮），或采用低温冷却器，给样品冷面提供制冷。 一维热流测量有采用高灵敏的蒸发量热技术，也有采用传统稳态护热法中的电功率测量技术，蒸发量热技术可以检测的漏热热流密度为0.1~500W/㎡，电功率测量技术可以检测的漏热热流密度为1~1000W/㎡，蒸发量热技术对于微小热流具有更强大的检测能力。 按照ASTM C1774“低温绝热系统热性能测试的标准指南”的规定，上述两种测试技术都可以设计制造为绝对法装置和比较法装置两类，但按照传统的测试方法分类，这两类测试技术都属于绝对法。这里的绝对法是通过测试设备和测试方法的集成设计基本消除了寄生漏热，测试腔室的寄生漏热接近于零。这里的比较法，是通过简单的部分防护，寄生热泄漏降低到可接受水平，还存在一定漏热，但整个测量装置变得比绝对法装置简单，相对简化的比较法仪器可用于大量样品、相似样品、质量控制测试和比较测试。[size=18px][color=#990000]三、蒸发量热法[/color][/size] 在蒸发量热法测试绝热材料热性能时，穿过被测样品的外界热量加热测试腔室内处于饱和状态下的低温液态制冷剂，测量制冷剂受热蒸发出的气体流量可以获得热泄露的热量，依此获得等效热导率和漏热热流密度。 [color=#990000]（1）圆柱型蒸发量热计测量装置（绝对法）[/color] 典型的圆柱型蒸发量热计热性能测量装置如图1所示，测量装置中装有低温制冷剂的测试腔桶典型尺寸是外径为167mm、长度为900mm，可为厚度50mm的样品进行测试。测试室由同样装有低温制冷剂的上室和下室进行主动热保护，使测试腔桶上下两个方向的热泄露最小。外侧的电加热器组件为样品的热面温度恒定进行控制。[align=center][color=#990000][img=蒸发量热法热导率测试,690,310]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201211417021305_4912_3384_3.jpg!w690x310.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 圆柱型蒸发量热计测量装置（绝对法）：左图为总体结构示意图，右图为简化示意图[/color][/align] 被测试样一般为柔性材料，如毯式、散装式、多层绝热材料。对于散装材料可以用薄铝制的黑色圆柱型套筒允许测试散装材料。 [color=#990000]（2）圆柱型蒸发量热计绝热材料热性能测量装置（比较法）[/color] 典型的圆柱型蒸发量热计热性能测量装置（比较法）如图2所示，用于测量绝热试样的比较热性能。装有低温介质的测量腔筒典型尺寸是132mm外径×500mm长，可测试厚度达50mm的试样。 与绝对法不同的是，为了简化测量装置，比较法中的测量腔桶上下两个方向采用的是被动防护方式并装配为一体式结构的测量组件，通过使用气凝胶材料和辐射屏组合件使得测量腔桶两个端部处的热泄露尽可能小，但护热效果显然不如绝对法中的主动护热。同样，外侧电加热器组件为样品的热面温度恒定进行控制。[align=center][color=#990000][img=蒸发量热法热导率测试,400,543]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201211417369317_1628_3384_3.jpg!w588x799.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 圆柱型蒸发量热计测量装置（比较法）[/color][/align] 这种简化后的比较法测量装置，可以拆卸整体结构的测量组件来进行被测样品的安装和拆卸，非常便于各种被测材料的拆装。 [color=#990000]（3）平板型蒸发量热计绝热材料热性能测量装置（绝对法）[/color] 平板型蒸发量热仪（绝对法）是一种用于测量绝热材料的绝对热性能的平底测试设备。典型结构如图3所示。允许接受直径200mm、厚达30mm的被测平板样品。除边界温度外，温度传感器位于设备侧面。装有制冷剂的测试腔室由同样装有制冷剂的护热腔室进行主动热防护，可将侧向热泄露降到最低。系统绝热材料为各种环境条件下的测试提供了额外的热稳定性。被测样品可以为刚性或柔性，带或不带压缩载荷。[align=center][color=#990000][img=蒸发量热法热导率测试,450,512]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201211417546189_165_3384_3.jpg!w690x786.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 平板型蒸发量热计测量装置（绝对法）[/color][/align][align=left][/align][align=left] 实际上，这种平板型蒸发量热计热性能测试设备完全照搬了ASTM C177防护热板法的基本原理，只是采用了低温制冷剂的蒸发原理替换了电功率测量，也是最早用于低温绝热材料热性能测试的测试方法和设备。由于这种方法和设备的完备性，使此方法被ASTM定为标准试验方法，即ASTM C745“使用保护平板蒸发量热计测量穿过真空绝热材料热流量的标准测试方法”。[/align] 需要注意的是，由于这种方法和设备太过复杂，需要保障的边界条件太多，其复杂性和局限性削弱了其广泛使用，目前C745方法已经废除，替代标准是ASTM C1774，并极大扩展了测试中对不同几何形状、环境、材料和方法的适用性，但C1774还存在许多不可控因素，多年来迭代改进也不多，使得C1774一直未形成标准试验方法，而仅仅是标准指南。 [color=#990000] （4）平板型蒸发量热计绝热材料热性能测量装置（比较法）[/color] 平板型蒸发量热计（比较法）是一种平板状样品测试设备，用于测量绝热材料的低温热性能，如图4所示。它可以接受直径200mm、厚达30mm的试样。测试中需要在设备上定位温度传感器，两组辐射屏蔽环与散装气凝胶一起为冷质测试腔体侧面和顶部提供被动热防护。该量热计可用于各种材料和测试条件，可对刚性和柔性材料进行测试，带或不带压缩载荷。[align=center][img=蒸发量热法热导率测试,690,325]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201211418172543_2537_3384_3.jpg!w690x325.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图4 平板型蒸发量热计测量装置（比较法）：左图为总体结构示意图，右图为简化示意图[/color][/align][size=18px][color=#990000]四、电功率测量法[/color][/size] 采用电功率测量法的测试设备主要有以下两种。[color=#990000] （1）低温恒温器电功率测试设备（基于制冷剂）[/color] 基于低温制冷剂的低温恒温器电功率测试设备，如图5所示，包括一个由OFHC铜板（典型值为6mm厚）制成的等温样品盒。圆柱型外壳和底板全部用螺栓固定在一起，在样品周围形成一个等温箱。顶板放在样品顶部，柔性铜带将顶板连接到盒子以确保热平衡。热板通常配备两个温度传感器（例如电阻温度传感器和硅二极管）和一个电加热器。这三个部件都安装在一个小仪器盘内，该盘完全安装在热板内。样品盒配有硅胶二极管温度计（或其他合适的温度传感器）和电加热器。热板加热器用于为热导率测量施加热量，样品箱加热器有助于提高整体温度。该盒子热连接到一个等温（OFHC铜）真空密闭室，它被悬挂在其中。该腔室进一步放置在真空罐内，并配备有加热器和合适的温度传感器。[align=center][color=#990000][img=蒸发量热法热导率测试,550,302]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201211418267227_2939_3384_3.jpg!w690x380.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 低温恒温器电功率测试设备[/color][/align][align=center][/align][align=left] 如果需要，这种布置允许样品室及其内部温度变化远高于真空罐（液氮或液氦）周围的制冷剂的温度。已经建造了两个圆柱型盒子（通常直径为150和200mm）加上两个方形盒子，每个盒子都有一个相应的热板。为了将仪器从热板连接到外部端子，使用了四根铜线和十六根锰铜线。这些电线通常长0.8m，直径0.13mm，以螺旋状穿过样品，从加热板到达盒子外面的端子。[/align][align=left] 对每个样品一面的中心进行加工，为放置在两块样品之间的等温铜热板腾出空间，从而确保所有热量都通过样品，除了沿着加热线传导的热量泄露到制冷剂中。典型尺寸包括样品直径为152或203mm，高度为50mm，圆形热板的直径为140mm，厚度为9mm。圆形等温铜盒的内部接触样品夹层的外表面。[/align][color=#990000] （2）电功率低温恒温器设备（基于低温制冷机）[/color] 基于低温制冷机的电功率恒温器测量法基本借鉴了经典防护热板法，不同之处在于采用了被动护热方式，在被测样品厚度方向上形成大温差，并在低温和真空压力环境下进行测量。 测试设备包括一个与适当的低温制冷系统热连接的测试腔室。用于测试204mm直径圆盘型样品的这种系统的一个示例如图6所示。该设计采用将平板样品夹在一对电加热板之间，底部电加热板接受已知加热功率控制样品热面温度，顶部加热板控制样品冷面温度，顶部加热板与制冷机连接。[align=center][img=蒸发量热法热导率测试,690,302]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201211418414558_9407_3384_3.jpg!w690x302.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图6 电功率低温恒温器测试设备（基于低温制冷机）：左图为总体结构示意图，右图为测试腔室示意图[/color][/align][size=18px][color=#990000]五、总结[/color][/size] 综上所述，上述测试方法基本覆盖了低温用各种绝热材料热性能测试要求，对各种材料的几何形状、测试环境和材料类型等方面都有很好的适用性。美国NASA多年来已经采用蒸发量热计测试设备（包括绝对法和比较法）对各种柔性和刚性低温绝热材料进行了大范围的测试，并得到了大量材料的低温热性能测试结果。 从目前在用的低温绝热材料热性能测试标准ASTM C1774可以看出，此标准还处于标准指南阶段，说明上述测试方法还存在很多问题需要解决，特别是主动护热温度的精确控制、样品冷收缩后的厚度变化在线测量和修正，以及接触热阻和加载压力的影响等，这些都是今后工作需要面临的严峻挑战。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#ff0000]摘要：文本针对高温下存在热化学反应的烧蚀防热材料，提出一种新型测试方法——恒定加热速率法，以期准确测试烧蚀防热材料的高温热物理性能，由此得到烧蚀防热材料在热化学反应过程中的热导率、热扩散率和比热容随温度的变化曲线。[/color][align=center][img=烧蚀防热材料导热系数测试,600,390]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/07/202207011700416434_107_3384_3.png!w690x449.jpg[/img][/align][size=18px][color=#ff0000]一、问题的提出[/color][/size]烧蚀防热材料的高温热物理性能是高温下的传热管理和热化学烧蚀建模的必要参数，但因为烧蚀材料具有特殊性：它们具有相当低的热导率，加热过程中会产生气体，热性能非单调变化，甚至材料的热性能还取决于加热速率。这种特殊性造成目前的各种稳态法和瞬态法都不适合烧蚀防热材料的热物理性能测试，主要是因为在测试之前的温度稳定期间就已经发生了热化学反应。因此，烧蚀防热材料的高温热物理性能测试一直是个技术难题，需要开发一种新型测试方法，对整个使用温度范围内含有热化学反应过程的烧蚀防热材料热物理性能进行准确测量，甚至测试出不同加热速率下烧蚀防热材料的热物理性能。文本将针对高温下存在热化学反应的烧蚀防热材料，提出一种新型测试方法——恒定加热速率法，以期测试烧蚀防热材料的高温热物理性能，由此得到热化学反应过程中的热导率、热扩散率和比热容随温度的变化曲线。[size=18px][color=#ff0000]二、测试方法[/color][/size]测试方法基于热物理性能测试中一般都需要测量热流和温度的基本理念，由此建立了如图1所示的传热学第二类正规热工工况测试模型，即对被测样品表面进行恒定速率加热，样品表面温度呈线性变化，样品背面为绝热条件。[align=center][img=烧蚀防热材料导热系数测试,350,369]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/07/202207011702158319_7823_3384_3.png!w625x659.jpg[/img][/align][align=center]图1 恒定加热速率法测量原理[/align]在图1所示的测试模型中，假设其中的热传递为一维热流，根据傅里叶传热定律，样品厚度方向上的传热方程为：[align=center][img=烧蚀防热材料导热系数测试,500,140]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/07/202207011702541092_2146_3384_3.png!w690x194.jpg[/img][/align]式中： ρ为样品密度， C为样品比热容， λ为样品热导率，T为温度，t 为时间 ，T0 是 t=0 时的样品初始温度， b是加热速率。当加热速率b为一常数时，通过测试样品前后两个表面温度，并求解上述传热方程，可得到被测样品的等效热扩散率随平均温度的变化曲线。在这种恒定加热速率测试方法中，金属板起到热流传感器的作用，即在线性升温过程中测量金属板前后两表面的温度，并结合金属板的已知热物理性能参数，可计算得到流经金属板的热流密度，由此间接测量得到流经被测样品的热流密度。通过测量得到的热流密度，结合测量得到的被测样品两个表面温度，求解上述传热方程，可得到被测样品的等效热导率随平均温度的变化曲线。根据上述测量获得热扩散率和热导率，并依据比热容、密度、热扩散率和热导率之间的关系式λ=ρ×C×α，可计算得到被测样品的质量热容随温度的变化曲线。如果采用热膨胀仪和热重分析仪精确测量被测材料在不同温度下的密度变化，通过关系式就可获得被测样品的比热容随温度变化曲线。对于上述恒定加热速率法测试模型，我们采用有限元进行了热仿真模拟和计算，证明了此方法对于低导热隔热材料热物性测试的有效性。[size=18px][color=#ff0000]三、今后的工作[/color][/size]尽管进行了详细的测试公式推导和有限元仿真计算，但对于这种新型的恒定加热速率热物性测试方法，还需进一步开展以下研究工作：（1）采用无热化学反应的高温隔热材料进行测试，以考核测试方法的重复性和进行测量不确定度评估。（2）采用无热化学反应的高温隔热材料与其他高温热物性测试方法进行对比，如稳态热流计法、热线法和闪光法等。（3）采用烧蚀防热材料进行高温测试，以考核测试方法的重复性，并结合其他热分析方法、热模拟考核试验（石英灯、氧乙炔、小发动机火焰和风洞）和建模分析，验证新型测试方法的有效性。[align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]