参考材料

摘要：瞬态平面热源法是一种准确、快速的材料热物理性能测试方法，其热导率测试范围可以覆盖从绝热材料到高导热材料。为了验证和考核瞬态平面热源法的测量准确性，对美国ANTER公司提供的各种热导率数值的参考材料进行测试。本文罗列出所有这些参考材料以及相应的热导率数据以供在具体测试中的应用。1. 前言瞬态平面热源法作为一种绝对测量方法，在理论上可以达到很高的测量精度。在试样尺寸满足测试方法规定的边界条件基础上，热导率的测量范围可以没有限制。因此，对于均质材料，采用HOTDISK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（200℃以下），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。瞬态平面热源法是一种绝对测试方法，自身并不需要进行校准。但为了验证和考核瞬态平面热源法的测量准确性和测试范围，我们为瞬态平面热源法配置了各个不同热导率数值范围的参考材料，这些参考材料的直径都在50mm以上以便各种瞬态平面热源法热导率测试探头使用。本文罗列出所有这些参考材料以及相应的热导率数据以供在具体测试中的应用。2. 参考材料清单按照热导率数据从小达到的顺序，以下是各种参考材料的名称和实物照片。（1）美国NIST标准参考材料：SRM 1453（发泡聚苯乙烯板），尺寸100×100×10mm，热导率范围为0.03W/mK以下。标准参考材料实物如图1所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311858_584006_3384_3.jpg图1 美国NIST标准参考材料SRM 1453（2）美国ANTER公司参考材料：Vespel（纯聚酰亚胺），尺寸Φ50.8×25.4mm，热导率范围为0.3W/mK以下。参考材料实物如图2所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311904_584007_3384_3.jpg图2 美国ANTER公司参考材料 纯聚酰亚胺Vespel（3）美国ANTER公司参考材料：Pyroceram 9606（高温陶瓷），尺寸Φ50.8×25.4mm，热导率范围为4W/mK以下。参考材料实物如图3所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311905_584008_3384_3.jpg图3 美国ANTER公司参考材料 Pyroceram 9606（高温陶瓷）（4）美国ANTER公司参考材料：304不锈钢，尺寸Φ50.8×25.4mm，热导率范围为14W/mK以下。参考材料实物如图4所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311906_584009_3384_3.jpg图4 美国ANTER公司参考材料 304不锈钢（5）瑞典HOTDISK公司参考材料：304不锈钢，尺寸Φ50×30mm，热导率范围为14W/mK以下。参考材料实物如图5所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311906_584011_3384_3.jpg图5 瑞典HOTDISK公司参考材料 304不锈钢（6）美国ANTER公司参考材料：氧化铝，尺寸Φ50.8×25.4mm，热导率范围为35W/mK以下。参考材料实物如图6所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311906_584012_3384_3.jpg图6 美国ANTER公司参考材料 氧化铝（7）美国ANTER公司参考材料：电解纯铁，尺寸Φ50.8×25.4mm，热导率范围为60W/mK以下。参考材料实物如图7所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311907_584013_3384_3.jpg图7 美国ANTER公司参考材料 电解纯铁（8）美国ANTER公司参考材料：纯镍，尺寸Φ50.8×50.8mm，热导率范围为60W/mK以下。参考材料实物如图8所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311907_584014_3384_3.jpg图8 美国ANTER公司参考材料 纯镍（9）美国ANTER公司参考材料：AXM-5Q石墨，尺寸Φ50.8×50.8mm，热导率范围为110W/mK以下。参考材料实物如图9所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311908_584015_3384_3.jpg图9 美国ANTER公司参考材料 AXM-5Q石墨通过以上参考材料可以看出，所配置的参考材料覆盖了0.03至110W/mK五个数量级范围的热导率，基本能满足绝大多数材料热导率性能测试的校对和验证。3. 参考材料热导率数据由于所涉及到的八种典型材料的热导率数据包含了大量拟合公式，很不方便用网页的形式表达，详细公式和图表数据可以参看附件中的研究报告。

[color=#cc0000]摘要：本文介绍了材料热物理性能的标准测试方法和参考材料的定义，特别介绍了参考材料的三种分类：验证过的参考材料、传递标准和参考材料。本文还详细列出了目前国际上能购买到的各种热物理性能测试用的验证过的参考材料清单。[/color][color=#cc0000]关键词：热物理性能，参考材料，标准参考材料，导热系数，热膨胀系数，热扩散系数，热膨胀系数[/color][align=center][img=,539,205]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/04/201904172229453658_7579_3384_3.jpg!w539x205.jpg[/img][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][b][color=#cc0000]1. 热物理性能参考材料的定义[/color][/b] 材料热物理性能测量的标准，主要是基于它的权威性，尤其是以比较的方式应用时更是如此，测试标准通常表现为两种相互关联方式： （1）标准测试方法（STM），一份由”专家”在国际、国家或其他权威机构主持下编写的具有共识性的技术文件，包含根据发布时可用的”最新”技术进行测量以确定给定精度所需特性的详细要求。后者意味着由于技术的改进而定期修改。 （2）参考材料（SM），一种耐用且高度稳定的材料或人工制品，具有在工作温度范围内不受外部变量影响的公认的均匀特性，用于验证上述STM并量化精度和偏差、验证新技术，校准比较方法，成为实验室间研究的参考点，并在竞争绩效索赔问题中充当裁判。 有三种被一致接受的参考材料： ■ 验证过的参考材料（Certified Reference Material：CRM或Standard Reference Material：SRM），从经过充分表征过的原料中获得，并具有基于广泛测试的合格值，使用绝对（主要）测试技术，包括所有参数的直接测量，由国家测量实验室（NML）或同等组织承担或主持，具有尽可能高的准确度。 ■ 传递标准（Transfer standard：TS），具有独特属性值的样品，由国家测量实验室（NML）或同等组织使用已知精度的绝对（主要）测量方法获得。 ■ 参考材料（Reference material：RM），一种已知、可重复成分和形式的商业化材料，根据几个组织使用标准测试方法进行了广泛评估，具有公认的属性值。[b][color=#cc0000]2. 认证过的热物理性能参考材料名录[/color][/b] 以下将列出目前国际上能购买到的认证过的热物理性能参考材料名录。[color=#cc0000]2.1. 美国标准技术研究所（NIST）[/color] 验证过的热物理性能参考材料（CRM-带证书）名录如下表所示：[align=center][img=,690,847]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/04/201904172234337268_7133_3384_3.png!w690x847.jpg[/img][/align][color=#cc0000]2.2. 日本国家计量研究所（NMIJ）[/color] 验证过的热物理性能参考材料（CRM-带证书）名录如下表所示：[align=center][img=,690,754]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/04/201904172233569383_6429_3384_3.png!w690x754.jpg[/img][/align][color=#cc0000]2.3. 欧盟参考材料和测量研究所（IRMM）[/color]验证过的热物理性能参考材料（CRM-带证书）名录如下表所示：[align=center][img=,690,595]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/04/201904172234546008_4574_3384_3.png!w690x595.jpg[/img][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

1. 测试目的 美国国家标准与技术研究院（NIST）出品的标准参考材料泡沫聚苯乙烯板SRM 1453主要用于281～313 K温度范围内各种热导率测试仪器和设备的标定和校准，是目前国内外各种低热导率测试方法（稳态保护热板法和稳态热流计法）热导率测试的计量溯源，同样此标准参考材料也可以用于瞬态平面热源法热导率测试的标定和校准，以验证测试方法和测试设备的测量准确性。为此，采用上海依阳公司出品的瞬态平面热源法热导率测试系统对NIST SRM 1453标准参考材料进行热导率测试，以期实现以下目的：（1）评测和验证上海依阳公司瞬态平面热源法热导率测试系统的测量准确性，重点验证低导热材料（热导率0.03W/mK左右）测量的准确性。（2）NIST标准参考材料SRM 1453是一种典型的泡沫聚苯乙烯板，由于低密度和具有一定气孔率，所以这种材料的热导率会随真空度增高而减小。因此希望通过在不同真空度下测试SRM 1453的热导率，评估上海依阳公司瞬态平面热源法热导率测试系统测量极低热导率（小于0.03W/mK）的能力。（3）通过真空控制和真空腔提供变真空测试环境，在1E-04~1E+03Pa覆盖七个数量级的真空度变化范围内，测试NIST标准参考材料SRM 1453在不同真空度下的热导率，得到一条热导率随真空度变化的完整曲线，以期获得热导率随真空度变化的规律。2. 低温变真空瞬态平面热源法热导率测量系统 瞬态平面热源法热导率测量系统是依阳公司低温变真空环境热物理性能测试系统的一部分，采用HOTDISK公司配套产品进行热导率测试，配套主机如图1所示。选择HOTDISK公司的这台测量装置进行配套，主要考虑了以下几方面因素：（1）在采用瞬态平面热源法测试过程中，只需要简单地将探头固定在两块被测试样之间，在试样和探头温度恒定后，测试过程迅速。这样使得与试样直接发生关系的相关装置非常简单，便于对被测试样加载各种环境条件，这非常有助于进行低温和真空环境的材料热导率测试。 （2）瞬态平面热源法的热导率测试范围宽泛，基本可以覆盖绝大多数材料的热导率测试。有此采用一台这种测试仪器就可以实现金属和非金属的热导率测试，特别是低温和深低温环境下多涉及隔热材料和金属结构材料，以往至少需要两套大型测试设备才能分别实现隔热材料和金属材料的热导率测试，现在可以通过一套设备完美的解决热导率测试问题。（3）瞬态平面热源法热导率测试核心装置比较小，所需试样尺寸也不大，这就为多试样同时测量提供了可能。低温变真空环境材料热物理性能测试系统如图2所示，这套系统除了可以进行热导率测试能力之外，主要功能是模拟空间低温高真空环境，测试空间材料的低温热辐射性能。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041708_584268_3384_3.png图1 瑞典HOTDISK公司热常数分析仪http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041721_584269_3384_3.jpg 图2 低温变真空环境材料热物理性能测试系统低温变真空瞬态平面热源法热导率测量系统主要技术指标如下：（1）温度范围：-200℃~200℃（任一点可控）。 （2）真空度范围： 1E-06Pa～1E+05Pa（可控制范围 1E-01Pa～1E+05Pa）（3）热导率测试范围：400W/mK以下。3. 试样和测试卡具 将购置的厚度为14mm的NIST标准材料材料SRM 1453切割成100mm见方的正方形，如图3所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041721_584270_3384_3.jpg图3 NIST标准材料材料SRM 1453测试试样和测试卡具整体放置在如图4所示的真空腔体内，如图5所示将被测的NIST标准材料材料SRM 1453放入测试卡具内，如图6所示试样和探测器压紧后关闭真空腔，即可进行真空度的控制和热导率测试。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041721_584271_3384_3.jpg图4 低温高真空腔体 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041721_584272_3384_3.jpg图5 测试试样和测试卡具http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041721_584273_3384_3.jpg图6 试样安装完毕后的待测状态4. 测试结果 在NIST标准参考材料SRM 1453不同真空度下热导率测试过程中，首先在常温常压下进行测试，然后再逐渐提高真空度并进行真空度控制，真空度控制精度达到5‰，稳定性优于1%。每个真空度至少恒定半小时后再开始热导率测量，每个真空度下进行2次重复性测量，任何2次测量间隔至少30分钟以上。由于NIST标准参考材料SRM 1453比较薄，厚度为14mm，由此在测试中采用了小尺寸的探头，编号C5501。整个测试过程中，试样温度保持在室温范围内，温度范围为22℃～23℃。为了便于测量控制及描述，真空度单位采用Torr，测试结果如下表所示。表中的试验参数表示测试过程中的探头加热功率（豪瓦）和测试时间（秒）。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041722_584275_3384_3.png将以上测试结果绘制成横坐标为真空度、纵坐标为热导率的对数坐标曲线，如图7所示。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041721_584274_3384_3.jpg图7 NIST标准参考材料SRM 1453常温不同真空度下的热导率测试结果5. 分析与结论 按照NIST所提供的SRM 1453热导率标准数据，在常温22℃的常压环境下，热导率标准数据为0.03348W/mK。按照上述的测试结果，在常温22℃的常压环境下，多次热导率重复性测量测试结果范围为0.03226~0.03251 W/mK，偏差范围为2.90%～3.65%，完全处于±5%的误差范围内。另外，从图7所示的测试结果可以看出，整