热性能评价

[color=#990000]摘要：针对低密度隔热材料在实际工程中的应用，介绍了两个新型表征参数，分别在固定厚度和固定热阻情况下，对低密度隔热材料进行评价、选材和优化。同时，还推荐采用瞬态法测量隔热材料的热扩散系数，可以在准确表征隔热性能的同时，还能简化测试设备及其造价。[/color][hr/][b][color=#990000]1. 问题的提出[/color][/b] 在低密度隔热材料的实际工程应用中，往往存在着以下两方面的问题： （1）普遍认为隔热材料的密度越低，隔热性能越好，从而在保温板等行业内将密度视为影响保温板隔热性能的唯一因素和产品指标，但实际情况并非如此。 （2）在隔热系统设计中，往往需要根据事先明确的隔热层热阻指标，来选择合理的隔热材料并进行优化。但根据热物理性能参数（如导热系数和密度）如何对隔热材料进行正确的优化选择，并没有一个简便和有效的方法。 本文将针对以上问题，介绍了两个新型表征参数，以便更直观、更具有物理意义和更简便的对隔热材料进行评价，来满足实际工程应用中隔热材料的选择和优化需要。[color=#990000][b]2. 新表征方式的提出[/b]2.1. 密度因子（λ/ρ）[/color] 隔热材料的导热系数与材料密度有很强的相关性，大多数隔热材料都为多孔材料，随着隔热材料孔隙率的提高或密度的降低，其导热系数变小，但导热系数并不是随着密度的减小而无限降低，如图2-1所示，当密度小于某个临界值后，由于孔隙率太高，空隙中的气体开始产生对流，辐射传热也相应加强，这时隔热材料的导热系数反而增大[1]。因此对于多孔材料隔热性能的评价，不仅只采用导热系数这个参数，还要同时考虑密度的影响。[align=center][img=,618,884]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002172009301230_3093_3384_3.png!w618x884.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图2-1 不同温度下采用不同稳态热流计法设备（PMA2和PMA4）测试不同密度氧化铝纤维毡导热系数的结果[/color][/align] 在隔热材料的各个热物理性能参数之间，有以下关系存在：[align=center][img=,690,193]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002172009580845_1756_3384_3.png!w690x193.jpg[/img][/align] 由上式可以看出，密度因子的大小决定了材料的隔热能力，密度因子越小代表隔热能力越强。其物理意义在于：在材料厚度固定情况下，密度与热阻乘积表征了材料的隔热能力，乘积越大，隔热能力越强。 密度因子应用的典型案例是评价不同类型膨胀聚苯乙烯（EPS）板[2]，四种牌号的EPS板热物理性能如图2-2所示。从图中可以看出，四种牌号EPS板的导热系数随着蜜豆的增大而单调降低，密度越大反而导热系数越大。[align=center][img=,690,207]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002172010225882_6318_3384_3.png!w690x207.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图2-2 四种牌号EPS板的热物理性能[/color][/align] 将四种牌号EPS板的密度因子绘制成直方图，如图2-3所示，由此可见，密度更高的EPS 150和200板具有最好的隔热能力。[align=center][img=,690,476]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002172010432515_6258_3384_3.png!w690x476.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图2-3 密度因子的直方图[/color][/align] 另外，从上式中还可以看出，材料的隔热性能还可以通过直接测量热扩散系数进行表征，这在实际测试中有着十分重要的意义。因为导热系数的直接测量往往十分复杂，通常必须检测量热流量。此外在这种导热系数直接测试实验中，通常情况下，加热器产生的一些热量不会流过样品，而是通过辐射损失掉。而在直接测量热扩散系数的方法中，大多采用瞬态法，只需测量温度随时间的变化，往往无需考虑辐射热损带来的影响，由此可以使得测试装置大大简化，这在高温下的测试中效果尤为明显。[color=#990000]2.2. 隔热效率（ρλ）[/color] 隔热的主要功能是限制热流，当热流密度为q的热流通过厚度为d 、具有有效导热系数λ （有效热阻R ）的隔热层，那么贯穿整个厚度的温差为△T ，它们之间的关系由傅里叶传热定律给出：[align=center][img=,690,259]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002172011074275_944_3384_3.png!w690x259.jpg[/img][/align] 因此，上式的物理意义在于：对于给定的所需热阻R，单位面积所需的隔热质量与密度和导热系数的乘积成正比。即对于任何设计要求的热阻，最小化隔热效率参数ρλ可以最小化稳态传热中每单位面积所需的隔热质量。 隔热效率参数应用的典型案例是评价航天飞行器金属热防护系统用不同类型隔热材料的评价[3,4]，在0.1Pa的高真空下，测试研究了多种纤维隔热材料样品隔热效率参数作为温度的函数，如所示图2-4。所提供的数据包括密度分别为96、96、107、267和202.4 kg/m3的Q-Fiber、Saffil、APA、ZYF和OFI五种纤维类隔热材料。从图中可以看出，OFI的隔热效率参数最低，对于特定的应用，其单位面积的质量要求更低。Q-Fiber和Saffil有相似的性能。在高达1000 K的温度下，APA的性能类似于Saffil和Q-Fiber，但在较高温度下性能稍差。ZYF在整个温度范围内具有最高的隔热效率参数，但具有更高的使用温度。Q-Fiber、Saffil、APA、ZYF和OFI五种纤维类隔热材料长期使用的极限温度分别为1370、1760、1760、2200和1600 K。[align=center][img=,690,476]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002172011243545_7239_3384_3.png!w690x476.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图2-4 空气中0.1Pa压力下多种隔热材料隔热效率参数岁温度变化的比较。[/color][/align][color=#990000][b]3. 结论[/b][/color] 综上所述，针对低密度隔热材料在不同工程应用中的评价，引入了物理意义明确的两个实用参数，即： （1）在材料厚度固定情况下对材料隔热能力进行评价时，可以选择隔热因子参数，隔热因子越小，隔热能力越强。 （2）在材料热阻固定情况下对材料隔热能力进行评价时，可以选择隔热效率参数，隔热效率参数越小，隔热效率越高。 （3）采用直接测试隔热材料热扩散系数的瞬态法，可以忽略传热边界条件对测量的影响，简化测量装置，在高温下可以采用结构非常简单的设备来完成隔热材料热扩散系数的准确测量。 总之，上述介绍两个新型表征参数对于初步比较十分有用，但隔热材料在实际使用中会经历热流、气压和周围材料温度的变化，因此它们很少达到稳定状态，这使得在复杂的瞬态环境中很难建立一个简单参数来精确比较材料的隔热性能。确定特定热系统中使用最有效的隔热材料是一项复杂的任务，不仅需要考虑隔热材料本身的瞬态热性能，还必须考虑与其他部件的相互热作用，以及在不降低性能情况下抵抗其他环境影响。然而，上述两个表征参数，至少可以在实际工程应用中粗略比较稳态条件下现有的各种隔热材料。[b][color=#990000]4. 参考文献[/color][/b]（1） Wulf R, Barth G, Gross U. Intercomparison of insulation thermal conductivities measured by various methods[J]. International journal of thermophysics, 2007, 28(5): 1679-1692.（2）Lakatos á. Thermal conductivity of insulations approached from a new aspect[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2018, 133（1）: 329-335.（3）Daryabeigi K, Cunnington G R, Knutson J R. Combined heat transfer in high-porosity high-temperature fibrous insulation: Theory and experimental validation[J]. Journal of thermophysics and heat transfer, 2011, 25(4): 536-546.（4）Daryabeigi,K., "Effective Thermal Conductivity of High Temperature Insulations for Reusable Launch Vehicles," NASA TM-1999-208972, February 1999.[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

太阳能热水器热性能测试装置生成检测报告不论是居住建筑还是公共建筑，建筑节能都是系统工程。在节能技术上是系统的集成，主要包括建筑规划与建筑自身的节能技术、建筑设备的节能技术和可再生能源利用的节能技术三方面；在实施的全过程上是系统保证，太阳能热水器热性能测试装置主要包括建筑节能设计标准的制定与实施、建筑节能工程施工及质量验收规范的制定与实施和能效测评体系的制定与实施三方面。面对量大面广的居住建筑面积逐年增加和采暖、空调能耗逐年提高的现实与发展趋势，从科学发展观认识建筑节能是系统工程和求真务实地实施建筑节能事业的层面看，必须在居住建筑的节能设计和节能工程的验收阶段，开展居住建筑的能效测评工作。目前的居住建筑与公共建筑节能太阳能热水器热性能测试装置设计有两种方法：一是规定性指标设计方法，即规定建筑与建筑围护结构的热工性能不能超过某一限值；二是综合指标设计方法，也称动态性能指标设计方法或对比评定法，是在规定性指标中的某些项不符合规定性指标限值时，引入“参照建筑”，并以其计算全年的采暖空调耗电量为比较“基准”，然后按同样计算方法计算设计建筑的全年采暖空调耗电量，并要求此耗电量不超过“参照建筑”的基准耗电量。不管采用哪种节能设计方法，只要符合居住建筑节能设计标准的规定，都可认定为合格的节能型居住建筑。[img=太阳能热水器热性能测试装置,690,690]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201150902423343_1940_4136176_3.jpg!w690x690.jpg[/img]太阳能热水器热性能测试装置有利于对可再生能源建筑进行全面管理和评价，通过构建绿色建筑能效测评指标，分析绿色建筑能效评价的具体方法，并且从照明、电梯、新能源和空调四个方面提出建筑节能的具体措施，旨在为绿色建筑能效评价体系的构建、实施和推进提供依据。近年来，关于绿色建筑的研究大多集中在绿色建筑结构设计和能耗监测，而作为绿色建筑评价的主要内容-建筑能耗，正在引起人们越来越广泛的重视。太阳能热水器热性能测试装置是针对建筑能耗和能源利用效率等指标进行监测评价，使用户能够全面地对建筑的能耗进行了解、评价的主要途径。（1）太阳能。太阳能目前主要的利用方式是太阳能板，虽然太阳能总体能量大，利用潜力高，但是由于太阳能利用密度低、太阳能板寿命低而且污染大等问题，使得太阳能的应用受到了一定的限制。（2）地热能。地源热泵的工作原理是利用水和土壤对太阳能的吸收，然后再利用能源转换系统将其转变为电能和热能。与太阳能相比，地源热泵有很多优点，如环保、经济效益高、用途广泛、使用寿命长、占地面积小、自动化程度高而且减排。[img=太阳能热水器热性能测试装置,690,690]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201150903024452_5636_4136176_3.jpg!w690x690.jpg[/img]

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

太阳能光热性能测试设备一体化组件太阳能光热性能测试设备设计的依据是使测试中的方法满足太阳能热水器热性能试验标准的要求，设计的测试台应具备可控制的进水温度、混水供水流量，同时具备可测量太阳辐照量、热水器贮热水箱进出水温度、环境温度、供水压力以及环境风速等功能，并且具备温度、压力等保护措施。太阳能热性能测试台系统组成本测试台建立的目的是为了检测产品的能效等级，研究太阳能集热器将太阳光能转化为热能的效率以及太阳能热水器贮热水箱的保温能力，用来评价产品是否满足国家标准，设计完成的太阳能热水器热性能测试台系统由水处理系统、6个工位子系统、数据采集系统和安全报警系统组成。[img=太阳能光热性能测试设备,400,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/04/202204210911328169_4185_4136176_3.jpg!w690x690.jpg[/img]太阳能光热性能测试设备水处理系统该测试台共采用两个恒温水箱，用于提供测试所需的恒温水。为了达到国家标准对水温控制精度的要求，采用二次电加热的方式对水温进行控制。测试开始前，运行备水模式，采用一次电加热和冷水机组水处理系统给恒温水箱提前制备18℃的恒温水；试验开始时，在向贮热水箱注恒温水的过程中，通过二次电加热和供水泵将18℃的恒温水加热到20℃，并按照所设定的流量注入到贮热水箱中。[img=太阳能光热性能测试设备,400,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/04/202204210912055252_5039_4136176_3.jpg!w690x690.jpg[/img]太阳能光热性能测试设备工位子系统工位系统包括电磁流量计、三通调节阀、混水泵等。用带有快速接头的保温软管将太阳能热水器和工位的进出水口相连接，形成完整的水回路，对其进行性能测试试验。在测试台设计之时，为了满足不同的测试需要，将整个太阳能光热性能测试设备的水环路分为两部分来考虑，即供水环路和混水环路。供水环路的作用是在测试开始时，将恒温水箱中的水按照各个工位所设定的流量注入到太阳能贮热水箱中，给太阳能热水系统提供一定温度的水。混水环路的作用是通过混水泵使太阳能热水器贮热水箱中的水温达到均匀。

[table][tr][td][color=#cc0000]摘要：本文针对测试定形相变材料热性能的 ASTM C1784 动态热流计法（DHFM），从另外一个角度介绍了这种测试方法的具体实施过程，使得 ASTM C1784 更容易被理解、掌握和推广应用。同时，本文分析了 DHFM 方法在工程应用中存在的问题，并提出了具体技术改进措施，以便进一步研究工作的开展和真正解决各种大尺寸相变复合材料热性能的准确、可靠和快速测试问题，以便建立更具有工程应用实际意义的新标准测试方法。[/color][/td][/tr][/table][align=center][img=,690,389]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/12/201712172114_9883_3384_3.png!w690x389.jpg[/img][/align][color=#cc0000]1. 引言[/color] 相变材料（PCM）利用其熔融潜热以达到热存储或对环境或系统进行温度调控目的，在建筑结构中越来越多的发现PCM的应用可以降低建筑能耗和调节室内温度。其基本原理是白天 PCM 吸收部分建筑热载荷并产生熔化，而在较低温度的夜间PCM冻结释放出热量，由此来稳定控制建筑物室内空间内温度。 数值研究和现场试验表明，随着PCM 在建筑物围护结构中的应用，负荷峰值小时得以减少，峰值需求时间得到移动，可节省高达25%的制冷能源消耗，并明显提高生活舒适度。 过去的三十多年中，建筑法规越来越强调节能和能效，这导致建筑中普遍使用各种隔热技术。另一方面，PCM 技术在建筑领域中几乎没有什么实质性应用主要是因为它的初始成本要高于隔热技术，以及性能方面的问题，如易燃性和相变性能老化严重等。在过去的几年中，随着PCM材料研究、封装技术、相稳定方法和阻燃剂等方面的发展已经解决了阻碍PCM 应用的大部分问题。最近的研究表明，对于现存的隔热材料改造项目，更换或添加常规隔热材料可能并不总是改善建筑围护结构热能性能最划算的解决方案。 由于 PCM 性能和成本竞争力的提高，近年来市场上推出了多种集成 PCM 的建筑产品，如 PCM 墙体、PCM 增强隔热材料等。这些 PCM 集成部件的动态特性或相变特性，主要包括相变温度区间、潜热性能、过冷和滞后性能以及隔热性能，这些性能的准确测试对预测PCM 产品在整个系统尺度范围内的蓄热和节能潜力至关重要。在早期应用中，具有纯的和均匀的PCM 集成入建筑部件中，如大型PCM壁芯、PCM 壁管。因此，利用单纯 PCM 的动态特性对 PCM 集成产品进行能量或热性能分析已成为一种普遍做法。传统上采用差分扫描量热仪（DSC）测量 PCM 产品中的纯 PCM 成分的动态特性，然而 DSC 方法适用于典型毫米尺度和毫克质量量级的样品，DSC 法还要求样品在成分上要相对均匀。 目前最先进的 PCM 产品与早期 PCM 应用完全不同，目前的 PCM 多是以毫米尺度包裹在结构件内部，例如 PCM 增强石膏板、形状稳定（Shape Stabilized）的定形 PCM 板和 PCM 纤维增强隔热材料等。这些 PCM 集成部件的动态热性能取决于几个关键指标，如构件内 PCM 的质量分数、构件的热容量和导热系数，以及存在的添加剂（火阻燃剂、导电抑制剂、粘合剂）。此外 PCM 本身的动态特性可能会因为周围材料和外来材料的引入而产生变化，因此PCM 集成构件的动态特性与纯 PCM 的动态特性相比有显著差异。 先进的 PCM 产品在尺寸和质量上都会变得更大更重，而且在组合中往往非常不均匀而无法作为 DSC 测试中样品。此外，大量的研究表明采用 DSC 测试系统所进行的单纯 PCM热性能测试在可靠性和测试结果方面大多存在严重问题，需按照特定的操作规程执行才能得到准确结果，由此通过DSC 得到的数据用于蓄热和节能模型计算时普遍造成性能评价的不精确性。 数值计算和实验研究表明，在建筑围护结构中加入 PCM 会显著提高建筑能耗性能，但需要对 PCM的动态特性进行准确测量才能完成整个建筑的能耗模拟。此外，准确的动态测试数据对于优化建筑物内PCM 的分布和位置、最大限度实现节能至关重要。 针对大尺寸 PCM 集成部件和产品的动态热性能的准确可靠测试，实际上面临着严峻的挑战。过去仅有的成熟的热性能测试评价方法一般是利用DSC 进行测试，有时采用 T-history 法测量有限数量的材料。不幸的是DSC 方法需要较小且相对均质的测试样品，在许多PCM 增强结构产品中这一要求不切实际，因为这些材料不是均质材料，在PCM 基混合物或复合材料情况下小样品不具有代表性。 为了解决大尺寸 PCM 集成部件和产品动态热性能的准确可靠测试问题，近些年来研究了一种实验室级别的测试方法，这是一种基于传统稳态热流计法隔热性能测试技术（HFM）的动态测试技术，称之为动态热流计法（DHFM）。HFM 已经被广泛用于材料的稳态导热系数测量，DHFM 方法则是将HFM法进行了升级，这些升级通过对现有 HFM 设备的最小化改造和廉价硬件升级来实现对 PCM 复合材料热性能的准确测量。基于 DHFM 技术，美国 ASTM 在2013年制定了一个新的测试标准：ASTM C1784-13“采用热流计装置测量相变材料及其产品储热特性的标准测试方法”，并在2014年颁布的修订版。尽管DHFM 方法在工程实践中还存在一些不足，但至少使得在科学和工程领域对相变复合材料和相变材料增强产品获得了一个可靠和准确的测量工具，解决了一个标准测试方法有无问题。 上海依阳实业有限公司是从事材料的热物理性能测试技术研究和测试仪器生产的专业性机构，对传统稳态热流计法（HFM）测试技术有过深入的研究和深刻的理解，同时也生产这种测试仪器。通过对相变材料热性能测试方法（DHFM）的研究，证明了这种方法确实是一种现阶段比较有效的实验室级别的测试技术，对标准尺寸的相变复合材料样品的热性能可以做出准确的测量，但也在工程实践中发现了大量存在的具体问题。 本文针对测试定形相变材料热性能的 ASTMC1784 动态热流计法（DHFM），从另外一个角度介绍了这种测试方法的具体实施过程，使得 ASTMC1784 更容易被理解、掌握和推广应用。同时，本文分析了 DHFM 方法在工程应用中存在的问题，并提出了具体技术改进措施，以便进一步研究工作的开展和真正解决各种大尺寸相变复合材料热性能的准确、可靠和快速测试问题，以便建立更具有工程应用实际意义的新标准测试方法。[b][color=#ff0000]由于本文篇幅较大并涉及大量公式，不便在帖子上进行编辑，全文内容已做为附件呈上，请多原谅。附件全文为适合手机浏览的PDF格式文件。[/color][/b]

[table][tr][td][color=#990000]摘要：本文针对相变材料热性能测试的两个国际标准测试方法，ASTM C1784和RAL-GZ 896，对这两种方法的进行了简述来和比较，使得对相变材料热性能测试评价有更深刻的了解，以便在实际应用中做出更合理的选择和应用。[/color][/td][/tr][/table][color=#990000]关键词：相变材料、热性能、标准测试方法[/color][align=center][img=,593,417]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/12/201712310924_7967_3384_3.png!w593x417.jpg[/img][/align][b][color=#ff0000]1. 引言[/color][/b] 对于相变材料热性能测试，目前国际上有两个机构分别颁布了相应标准测试方法，一个是美国材料与试验协会ASTM（American Society for Testing and Materials），另一个是相变材料质量协会（Quality Association PCM）。 美国ASTM是一个众所周知的标准化组织机构，在2013年针对相变材料热性能测试评价颁布了标准测试方法ASTM C1784-13 “Standard Test method for Using a Heat Flow Meter Apparatusfor Measuring Thermal Storage Properties of Phase Change Materials andProducts”。 为了制订相变材料性能要求和合适的质量保证规范，2004年国际上一些公司机构成立了相变材料质量协会（Quality Association PCM），2006年德国质量保证与认证研究院（RAL）接受了该协会制订的相变材料质量和测试规范（Quality and Testing Specifications for PCM：RAL-GZ 896），并允许使用RAL质量标志授予高质量的相变材料产品。 对于相变材料热性能的测试评价，主要包括以下几方面的内容： （1）储热量：相变材料可以再次吸收和释放的热量，一般是越多越好。 （2）相变温度：相变材料吸收和释放热量的温度范围定义，一般应该是尽可能的狭窄和恒定。 （3）导热性能：导热系数应尽可能高，以便能够快速完整地传输热量。 （4）稳定性：使用寿命尽可能长并没有明显的性能损失。 目前国际上针对相变材料的这两个标准测试方法，在热性能测试评价上各有侧重。本文将通过对这两种方法的简述来对这两种方法进行比较，使得对相变材料热性能测试评价有更深刻的了解，以便在实际应用中做出更合理的选择和应用。[b][color=#ff0000]2. 相变材料热性能标准测试方法[/color][color=#330033] （1）RAL-GZ 896[/color][/b] RAL-GZ 896包括了三个标准测试方法，分别用于相变温度和蓄热、导热系数以及循环稳定性的测试，所对应的标准测试方法分别为DSC法、T-History法和多层量热计法。[b] （2）ASTM C1784[/b] ASTM C1784是基于ASTM C518稳态热流计法传热性能测量装置所建立的测试方法，除了可以测量相变材料的相变温度和蓄热量之外，自然也可以测量相变材料的导热系数和循环稳定性。 基于ASTM C1784方法测量装置结构如图 2‑ 1所示。[align=center][img=,690,388]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/12/201712310924_9188_3384_3.png!w690x388.jpg[/img][/align][align=center]图2‑ 1 热流计法热性能测量装置结构示意图[/align][b][color=#ff0000]3. 两种测试方法的共性[/color][/b] （1）相变材料（PCM ）的分类： ■ RAL-GZ 896：PCM 、PCM 复合材料、PCM 构件、PCM 系统 ■ ASTM C1784：PCM 构件→PCM 产品 （2）测试结果描述 ■ RAL-GZ 896：以热焓随温度变化（H/T）关系图描述，如图 3‑ 1所示。 ■ ASTM C1784：箱形关系图描述，=1 K步长，如图 3‑ 2所示。[align=center][img=,690,401]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/12/201712310926_3057_3384_3.png!w690x401.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图3‑ 1 热焓-温度关系图[/color][/align][align=center][color=#ff0000][/color][/align][align=center][img=,690,411]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/12/201712310926_873_3384_3.png!w690x411.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图3‑ 2 箱形关系图[/color][/align] （3）重复性测量： ■ 两种测试方法都要求每个样品至少进行3次重复测量。[b][color=#ff0000]4. 校准方法[/color][/b] （1）RAL-GZ 896：没有规定→生产厂商推荐→项目42/29。 （2）ASTM C1784热焓校准： ■ 热容和温度取决于热流计偏差的因素需要进行考虑。 ■ 还需考虑附加材料层（如用于改善样品和冷热板热接触的材料） （3）温度校准依据ASTM E967。[b][color=#ff0000]5. 校准和试验过程[/color][/b][color=#ff0000]5.1. ASTM校准步骤[/color] （1）至少采用2个已知小热容的样品（不同厚度）进行校准。 （2）整个试验温度范围要横跨相变温度范围两端各10℃左右。 （3）在步进温度差分割的时间内对热流进行积分。 （4）绘制热流积分与不同样品厚度的关系图，如图 5‑ 1所示。[align=center][img=,690,422]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/12/201712310928_7813_3384_3.png!w690x422.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图 5‑ 1 热流积分与不同样品厚度的关系图[/color][/align] （5）对于每一个平均温度测量值都外推到0厚度。 （6）绘制0厚度样品随平均温度的变化曲线得到随平板温度变化的热流计修正因子。如图 5‑ 2 所示。[align=center][img=,690,429]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/12/201712310928_8078_3384_3.png!w690x429.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图5‑ 2 校准试验曲线[/color][/align][color=#ff0000][/color][color=#ff0000]5.2. ASTM中的测试参数确定[/color] （1）从低于熔点10℃以下的温度起开始升温。 （2）温度变化步长1.5±0.5 K，每个步长加热过程的弛豫时间要大于2小时。 （3）加热结束：如果蓄能返回到一个很小值（完全熔化）。 （4）对于冷却测量重复以上过程。 整个升降温试验过程中，升降温设定曲线、样品温度变化曲线和热流变化曲线如图 5‑ 3所示。[align=center][img=,690,378]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/12/201712310929_5371_3384_3.png!w690x378.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图5‑ 3 升降温曲线和热流变化曲线[/color][/align] 需要注意的是：相变材料相变区间与温度步长大小及每一温度步长的驰豫时间有关。[color=#ff0000]5.3. RAL中的测试参数确定[/color] 加热速度试验 （1）加热温度区间要要覆盖整个熔化和结晶化过程。 （2）升降温速度的设置条件为：一是在两次加热速度下的温度峰值之差小于0.2K，二是在相同升降温速度时峰值温度应小于0.5K，如图 5‑ 4和图 5‑ 5所示。[align=center][color=#ff0000][img=,690,425]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/12/201712310929_8176_3384_3.png!w690x425.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图 5‑ 4 加热速率相差一半时加热冷却曲线峰值小于0.2K[/color][/align][align=center][color=#ff0000][img=,690,420]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/12/201712310930_1940_3384_3.png!w690x420.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图5‑ 5 一种升降温速率时加热和冷却曲线峰值小于0.5K[/color][/align][color=#ff0000][/color][color=#ff0000]5.4. ASTM中的样品测量和计算[/color] （１）起始温度和终止温度要与PCM 活性区间的两端温度相差10K以上。 （２）从三个不同起始温度点开始进行三次测量以增加测量精度。 确定PCM 的活性区间。[color=#ff0000]5.5. RAL中的样品测量和计算[/color] 最大加热速率的确定原则： （１）必须要对3个样品进行6次循环测量，温度区间必须大于熔化和结晶温度区间±5K。 （2）前两次的循环测试（预熔化）可以快一些进行。 （3）第三次循环确定相变温度和蓄热。 （4）第3～6次循环测试用来确定最小成核温度。[b][color=#ff0000]6. 两种方法的主要差别[/color][/b][align=center][img=,690,212]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/12/201712310930_3827_3384_3.png!w690x212.jpg[/img][/align][align=center][/align]

智能太阳能光热性能测试系统检验操作太阳能光热性能测试系统是指对建筑物能源消耗量及其用能系统效率等性能指标进行检测、计算和评估，并给出其所处水平的活动。建筑节能分部工程验收中开展建筑能效测评是建筑能效测评标识管理的重要组成部分，是理论值阶段。建筑能效测评达到设计要求是建筑节能分部工程质量验收合格的必要条件，建筑节能分部工程验收合格后方可进行单位工程竣工验收。应进行建筑能效测评的建筑工程项目未经建筑能效测评，或者建筑能效测评不合格的，不得组织工程竣工验收。具备可再生能源的下列工程应进行建筑能效测评：（一）新建（改建、扩建）国家机关办公建筑和大型公共建筑（单体建筑面积为2万平方米及以上）；（二）新建（改建、扩建）可再生能源建筑应用项目；（三）实施节能综合改造的国家机关办公建筑和大型公共建筑；（四）申请节能示范工程的建筑；（五）申请绿色建筑评价标识的建筑；[img=太阳能光热性能测试系统,400,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/08/202208290927236814_5322_4136176_3.jpg!w690x690.jpg[/img]太阳能光热性能测试系统建筑节能分部工程验收前，建设单位应委托经省住房城乡建设厅认定的建筑能效测评机构进行建筑能效测评，提供以下资料，并对其真实性负责。（一）项目立项、审批等文件；（二）施工图设计文件审查机构审查合格的工程施工图节能设计文件；（三）工程施工图纸及相关技术文件；（四）具有相关资质的检测机构出具的围护结构保温材料性能检测报告及外窗保温性能、气密性检测报告；建筑物外窗（包括透明幕墙）传热系数和外窗（包括透明幕墙）玻璃遮阳系数进场复验报告 建筑门窗节能性能标识证书和标签以及《建筑门窗节能性能标识测评报告》；（五）冷热源设备及相应水泵等主要产品合格证或性能检测报告；（六）围护结构热工缺陷报告；（七）外墙墙体、屋面、热桥部位和采暖空调管道的保温施工做法或施工方案，及与此有关的隐蔽工程施工质量中间验收报告；（八）建筑节能设备运行调试报告及节能系统检测报告；（九）使用地源热泵作为冷热源时应提供当地相关部门出具的环评报告；（十）应用节能新技术的情况报告。[img=太阳能光热性能测试系统,400,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/08/202208290927423701_2223_4136176_3.jpg!w690x690.jpg[/img]

摘要：随着氢能源汽车的快速发展，液氢储运将大规模出现在商业应用中，被动防热中的绝热材料和系统是决定液氢储运经济性和安全性的重要因素。本文介绍了目前液氢储运中候选的几类绝热材料/系统，介绍了它们各自的特点及其热性能。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#333399]一、液氢的蒸发和损失[/color][/size] 由于氢气的正常沸点极低（20.4K），在储运过程，当外部温度接近环境温度（~300K）时，内部储罐的温度必须保持在20K或更低，从而导致约有280K的温差。由于这种显著温差，即使隔热良好，漏热热流也会非常显著。例如位于NASA肯尼迪航天中心的最大储罐LC-39B，3200m3容量(约224吨），如图1所示，每天会导致0.03~0.05%的蒸发损失[1]。[align=center][color=#000099][img=低温绝热材料热性能,600,382]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201151909474272_5271_3384_3.jpg!w690x440.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#000099]图1 肯尼迪航天中心LC-39B液氢储罐[/color][/align] 如图2所示，以相对蒸发率BOR（单位：每天%）为指标评价液氢的相对损失（相对于储罐尺寸），储罐越小损失越大，较大储罐损失可能较小，因为从周围环境热量进入到储罐的热传递的单位体积表面积较小。尽管随着储罐尺寸的增大（容量约为20000 或更高），相对蒸发损失可降至0.01%以下，但对于较大储罐，液氢损失的绝对量非常可观。这不仅会导致有效储量（和生产能力）降低，还会带来其他安全威胁，因为汽化的氢气呈气态，如果暴露在环境中，会迅速升温。这些威胁包括但不限于易燃性和其他问题，例如焊接/阀门材料的脆化，以及通风管道/部件中环境空气的液化。 [align=center][color=#000099][img=低温绝热材料热性能,600,393]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201151910230789_9197_3384_3.jpg!w690x452.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#000099]图2 绝热厚度（或漏热热流）固定时的每日蒸发率与罐体尺寸关系[/color][/align] 目前，低温介质的零蒸发存储技术（Zero Boil Off，ZBO）被用于控制蒸发损失，即利用低温制冷机主动冷却液氢储罐使其内部温度保持在20K以下，或者将沸腾的气态氢转化为[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相[/color][/url]。 尽管主动冷却技术可有效减少净蒸发，然而对于实际的液氢储运，这种方法需要进一步评估，以确定这种方法在经济上是否可行，因为成本显著增加且有些储罐尺寸较大。总之，在任何情况下，无论有无采用主动冷却技术，被动防热技术中更有效的绝热材料以及绝热系统设计对于液氢储运都至关重要。[size=18px][color=#000099]二、六种候选绝热材料/系统[/color][/size] 在液氢储运方面，商业上存在多种绝热材料可供选择，材料性能差异很大，包括体积密度、复合结构、制造形式、老化、环境暴露和层密度等各种因素的具体变化，因此选择最佳绝热材料以最大限度减少热量进入储箱则是液氢储运中的一项重要内容。 （1）气凝胶材料 目前的气凝胶材料有多种形式，如颗粒（散装）、复合毯、无纺材料中的粉末或颗粒、片状和块状的聚酰亚胺交联气凝胶等。气凝胶复合毯可以提供非常低的热导率，同样，选择散装填充和复合毯型气凝胶材料可以提供额外的能力，因为它们具有纳米多孔结构的强度和超疏水性的化学成分。气凝胶材料的一个重要优点是它们可以吸附气体形式的单个氮分子，因为它冷却到稳态温度并避免形成液体。根据文献[2]中描述的测试及其结果，气凝胶有可能减轻非真空系统的低温泵浦效应。然而，这些实验是基于液氮的测试，还需在相关条件（液氢和非真空）下进行更多测试，以了解气凝胶材料对抗低温泵浦的性能和液氢储存的绝热效率。气凝胶材料相对较高的成本可能会限制其商业应用，但其安装成本可能低于传统泡沫材料，这意味着安装时的总成本以及生命周期考虑是关键指标。 （2）闭孔泡沫 闭孔泡沫材料主要有闭孔硬质泡沫板（RFP）和硬质喷涂泡沫绝热材料（SOFI），它们在限制传质方面表现良好，但有很大比例的开孔含量（至少5%），气态分子仍然可以通过这些开孔含量到达冷侧[3]。虽然闭孔泡沫刚性面板不存在此类问题，但随着时间的推移，它们可能会导致其他问题，例如所有接头、接缝和界面的完整性。由机械损坏（最初或随着时间的推移，或由热循环效应）产生的一系列小裂缝或间隙可能导致对抗低温泵浦或隔热效果的普遍退化。 （3）多层绝热（MLI）系统 虽然MLI在液氢储存方面的表现非常好，但它们可能不适合大规模装置，因为考虑到精致的物理结构，它们对真空的要求很高，而且在大规模工业使用中安装不切实际[4]。然而，已经开发成功的层状复合材料可以将MLI系统的反射特性与气凝胶的高机械强度、低导热性相结合，其中包括用于软真空到中等真空环境的分层复合绝热材料（LCI）[5]。LCI系统结合了气凝胶复合毯材料层，也已被证明具有机械强度[6]。 （4）分层复合绝热系统（LCX） 分层复合系统LCI的另一种变体是LCX，它用于非真空或室外环境[7]。组件包括第一层气凝胶复合毯与连续成对的气凝胶毯和可压缩阻隔层相结合。LCX系统也已成功用于7600升液氮储罐[8]和许多液氢输送管道和组件系统多年[9]。 （5）珍珠岩粉 用于真空夹层绝热系统的散装填充材料包括珍珠岩粉和中空玻璃微球（玻璃泡）。珍珠岩粉可以在施工现场通过裂解火山岩生产，成本相对较低。珍珠岩已广泛用于LNG绝热系统[10]，也被NASA用在两个LH2球形罐的绝热系统[11]。 （6）3M玻璃泡 由硼硅酸盐玻璃制成的空心玻璃微球已被NASA广泛用于液氢储罐的应用测试，以替代珍珠岩[12,13]。玻璃泡在所有真空度下都比珍珠岩具有更好的热性能，并显示出更好的物理性能，即气泡不会因振动或热循环而破裂和压实变形。总体而言，玻璃泡表现出更强大的性能，并被证明是用于抽空液氢和其他低温介质储罐应用的优质散装绝热材料。[size=18px][color=#000099]三、绝热材料/系统热性能[/color][/size] 对于上述几种绝热材料或系统的热性能评价，采用了ASTM C1774“低温绝热系统热性能测试的标准指南”中推荐的测试方法。基于此方法测试获得的实验数据[14]对上述不同厚度绝热材料/系统在不同真空度下的等效热导率和漏热热流密度进行了汇总，如图3和图4所示。[align=center][color=#000099][img=低温绝热材料热性能,690,516]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201151912153362_1201_3384_3.jpg!w690x516.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#000099]图3 各种不同厚度低温绝热材料/系统在不同真空度下的等效导热系数测试结果[/color][/align][align=center][color=#000099][/color][/align][align=center][color=#000099][img=低温绝热材料热性能,690,515]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201151912292998_9572_3384_3.jpg!w690x515.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#000099]图4 各种不同厚度低温绝热材料/系统在不同真空度下的漏热热流密度测试结果[/color][/align] 决定热性能的一个主要因素是整个隔热系统在稳态操作条件下的真空度范围，即ASTM C1774中定义的冷真空压力（CVP）。因此，测试结果中的有效导热系数数据根据给定材料/系统分为三类CVP：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）。另外所有测试中所设定的冷热面边界温度分别为78K和293K，残余气体为氮气。 基于实验数据[14]对上述绝热材料/系统的初步评估见表1，以进行一阶比较。[align=center][color=#000099]表1 各种低温绝热材料/系统及其性能[/color][/align][align=center][img=低温绝热材料热性能,690,319]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201151912524819_2938_3384_3.png!w690x319.jpg[/img][/align][size=18px][color=#000099]四、总结[/color][/size] 通过上述几类候选绝热材料和系统的介绍，以及它们的各自特点和热性能，可以得出以下几方面的结论： （1）软真空SV范围和高真空HV范围之间的最大区别是根据系统的尺寸和几何形状，在大约50mTorr下发生向自由分子气体热传导的转换，即在软真空范围内绝热材料或系统的有效导热系数和进入的热流密度会发生数量级上的急剧变化。因此在现有绝热材料或系统中，无真空范围内的热泄露会非常严重，但可以希望通过相对简单的真空抽气设备和工艺可实现约100mTorr的软真空抽取能力，而实现1mTorr在技术上更难实现，尤其是对于大型系统。 （2）迄今为止，NASA已对700多种材料和系统中的大约50%进行了测试分析，测试筛选的结果如图3和图4所示。图中的阴影区域代表“中等低温蒸汽压力”区域，该区域在集成绝热系统中具有最大的应用潜力，使用较低总压力下运行的系统将需要较少的造价和维护。 （3）多年来NASA已经在全球建立起了唯一完备和系统的低温绝热材料/系统的热性能测试评价平台，并倡导建立了测试方法ASTM C1774。然而，这些实验的绝大多数是基于液氮的测试，对于用于液氢储运的绝热材料还需在相关条件（液氢和非真空）下进行更多测试，以了解绝热效率和其他物理性能。 （4）对于超低导热系数的绝热材料/系统的测试，ASTM C1774确实是一种非常有效的测试方法，此标准从2013年颁布以来经过多次修订，但目前还是一种ASTM的“标准指南-Standard Guide”。由于还存在许多技术难题（如低温下绝热材料样品收缩后的厚度在线测量修正和蒸发量热计侧向精确护热等）、无法进行不确定度考核评定、各种边界和环境等条件需要精确控制以及测试系统整体造价昂贵等问题，造成此方法一直无法升级为一种标准测试方法（Standard Test Method）或标准实施规程(Standard Practice)。总之，针对大规模液氢储运中的绝热材料和系统的导热系数测试，需建立有效和经济的新型测试方法，需提高测量精度和重复性精度。[size=18px][color=#000099]五、参考文献[/color][/size][1] Peschka W. Liquid hydrogen: fuel of the future. Springer Science & Business Media 2012 Dec 6.[2] Fesmire JE, Sass JP. Aerogel insulation applications for liquid hydrogen launch vehicle tanks. Cryogenics 2008 May 1 48（5e6）:223-31.[3] Fesmire JE, Coffman BE, Meneghelli BJ, HeckleKW. Spray-on foam insulations for launch vehicle cryogenic tanks. Cryogenics 2012 Apr 1 52（4-6）:251-61.[4] Fesmire J, Augustynowicz S, Darve C. Performance characterization of perforated multilayer insulation blankets. Proc Nineteenth Int Cryogenic 2002:843-6.[5] Fesmire JE, Augustynowicz SD, Scholtens BE. Robust multilayer insulation for cryogenic systems. In: AIP conference proceedings. vol. 985. American Institute of Physics 2008 Mar 16. p. 1359e66. 1.[6] Johnson WL, Demko JA, Fesmire JE. Analysis and testing of multilayer and aerogel insulation configurations. In: AIP conference proceedings. vol. 1218. American Institute of Physics 2010 Apr 9. p. 780-7. 1.[7] Fesmire JE. Layered composite thermal insulation system for nonvacuum cryogenic applications. Cryogenics 2016 Mar 1 74:154-65.[8] Fesmire JE. Layered thermal insulation systems for industrial and commercial applications. NASA report 2015. 2015 （report/patent#:KSC-E-DAA-TN26226）.[9] Fesmire JE. Aerogel-based insulation materials for cryogenic applications. In: IOP conference series: materials science and engineering. vol. 502. IOP Publishing 2019 Apr, 012188. 1.[10] Bahadori A. Thermal insulation handbook for the oil, gas, and petrochemical industries. Gulf Professional Publishing 2014 Mar 14.[11] Krenn AG. Diagnosis of a poorly performing liquid hydrogen bulk storage sphere. In: AIP conference proceedings. vol. 1434. American Institute of Physics 2012 Jun 12. p. 376-83. 1.[12] Fesmire JE, Augustynowicz SD, Nagy ZF, Sojourner SJ, Morris DL. Vibration and thermal cycling effects on bulk-fill insulation materials for cryogenic tanks. In: AIP conference proceedings. vol. 823. American Institute of Physics 2006 Apr 27. p. 1359-66. 1.[13] Sass JP, Fesmire JE, Nagy ZF, Sojourner SJ, Morris DL, Augustynowicz SD. Thermal performance comparison of glass microsphere and perlite insulation systems for liquid hydrogen storage tanks. In: AIP conference proceedings. vol. 985. American Institute of Physics 2008 Mar 16. p. 1375-82. 1.[14] Fesmire JE, Swanger AM. Advanced cryogenic insulation systems. International Congress of Refrigeration. Montreal, Quebec, Canada: Intl Institute of Refrigeration Aug 2019.[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

太阳能热水器热性能测试装置技术标准目前，在太阳能利用的诸多形式中，最成熟、最经济，与建筑关系最紧密的利用形式就是太阳能热利用。太阳能空气集热器是太阳能热利用主要形式之一。太阳能热水器热性能测试装置根据集热器的相关使用标准，研发出太阳能集热器测试系统对集热器的整体性能开展测试流程。1、外观检查：试验在常温下进行。样品进行两次外观检查——首次检查和末次检查。由专业技术人员目视检查太阳能空气集热器产品的主要部件情况，对主要部件存在的问题进行判定。2、刚度试验：试验在常温下进行，太阳能集热器不加工质，水平放置。未加工质的太阳能集热器水平放置，然后将其一段抬高100mm，保持5min后复原。检平板型太阳能集热器受损和变形情况。3、强度试验：试验在常温下进行，平板型太阳能集热器注满水，水平放置。在太阳能集热器表面放置轻质垫板，再在垫板上均匀铺放一层干砂，每平方米干砂质量为100kg。检查平板型太阳能集热器损坏和变形情况，并记录所加载和质量。[img=太阳能热水器热性能测试装置,400,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205120922023682_2962_4136176_3.jpg!w690x690.jpg[/img]4、太阳能热水器热性能测试装置闷晒实验：本实验在日平均环境温度ta≥8℃，太阳能集热器采光面接受的日太阳辐照量H≥17mJ/（m2d）条件下进行。按照在室外运行时的方向安装平板太阳能集热器，集热器内充满传热公职并被阳光加热至当天最高温度。价差平板型太阳能集热器损坏与变形情况，并逐时记录试验期间的日太阳辐照量H、环境温度ta、风速u。5、外热冲击试验：在太阳能集热器采光面上的总太阳辐照度G达到700W/m2以上时，使集热器孔筛30min。然后对满足实验条件的太阳能集热器均匀喷水，喷水方向与采光面之间的夹角不应小于20°，水温15℃±10℃，喷水流量应大于200kg/（m2h），保持喷水5min。检查太阳能集热器的各个部件是否损坏，变形，并记录试验期间的辐照量H、水流量、水温。6、淋雨实验：本试验在常温下进行，将太阳能集热器的进出口堵严，按40°倾角安放。用自来水从各个方向喷淋太阳能集热器。喷淋水与集热器采光面之间的角度不应小于20°，喷水量不应低于200kg/（m2h），喷淋面积应不小于集热器外表面积的80%，持续15min。检查太阳能集热器有无渗水、损坏。并逐时记录试验期间的环境温度、水流量、水温。7、太阳能热水器热性能测试装置密闭试验：试验在常温下进行，应该至少进行3次明示推荐流量最大值的测试。将流量仪表分别安装在集热器的进出风口，保证接口密封良好，流量仪表的安装应符合使用说明书的规定。分别测出进出口流量的值，单位面积的进出口流量的差值与单位面积的进口流量的值之比为单位面积泄漏量。8、热性能试验：热性能试验包括：准稳态的瞬时效率、集热器时间常数和入射角修正系数。按GB/T26977规定的试验方法。9、耐撞击实验：太阳能空气集热器按照GB/T6424规定的试验方法进行。真空管型太阳能空气集热器按照GB/T17581规定的实验方法进行。10、测定方法：吸热体涂层太阳吸收比：平板吸热体按GB/T6424规定的试验方法进行，真空集热管按GB/T17049规定的试验方法进行。[img=太阳能热水器热性能测试装置,400,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205120923026485_6543_4136176_3.jpg!w690x690.jpg[/img]吸热体涂层发射比：吸热体涂层红外发射比按GB/T19775规定的试验方法进行。吸热体和壳体涂层的附着力、耐盐雾、耐热性和老化性等推荐试验方法见GB/T6424—2007附录C。透明盖板太阳透射比：按GB/T6424规定的实验方法进行。

[color=#cc0000]摘要：本文针对锂离子电池材料导热系数测试方法，评论性概述了近些年的相关研究文献报道，研究分析了这些导热系数测试方法的特点，总结了电池材料导热系数测试技术所面临的挑战，从热分析仪器市场化角度提出了迎接这些挑战的技术途径。[/color][hr/][size=18px][color=#cc0000]1.问题的提出[/color][/size] 锂离子电池在各种应用中用于能量转换和存储，包括消费类电子产品、电动汽车、航空航天系统等。图1-1所示为典型的锂离子电池的结构，锂离子电池主要包括电极材料、电解质材料、隔膜材料、电池堆和热管理高导热相变复合材料。[align=center][img=锂离子电池结构示意图,500,375]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250623319094_6619_3384_3.jpg!w600x450.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图1-1 锂离子电池结构示意图[/color][/align] 导热系数作为电池材料的重要热物理性能参数之一，严重影响着锂离子电池的各种特性。而锂离子电池在使用过程中会面临着电、热、力和质的不同边界条件，这就使得准确测试电池材料导热系数面临着以下几方面的严峻挑战： （1）锂离子电池材料往往涉及含能和储能材料，在不同边界条件下，如在充放电过程中会伴随着生热甚至热解过程，在电池热管理系统中还涉及到相变材料，这就要求要在这些电化学和热化学过程中同时对导热系数进行测量，这要比以往纯热物理变化过程中的导热系数测试技术更为复杂。 （2）导热系数测试方法众多，但针对锂离子电池材料的复杂特征和要求，首先要需要找出合理的测试方法，以保证测量结果的准确性，这对锂离子电池材料和电池热管理尤为重要。 （3）由于锂离子电池材料导热系数测试所涉及的环境条件众多，会涉及众多不同的导热系数测试方法和设备。但在实际工程应用中，还是希望能对测试方法进行优化和开发测试新技术，从而实现用尽量少的测试方法和仪器设备尽可能多的满足各种各种锂离子电池材料的导热系数测试需求。 （4）由于锂离子电池材料还涉及其他热性能参数和表征参数，如比热容和热失控等，这样就要求导热系数测试方法和仪器能与其他热性能参数测试仪器进行集成，使得测试仪器具备多功能性，在一台测试仪器上可实现多个参数的测试。 本文将针对上述存在的问题和挑战，首先对近些年锂离子电池材料导热系数测试技术进行评论性综述，然后在分析研究的基础上，提出比较适合锂离子电池和材料导热系数测量的实用方法。[size=18px][color=#cc0000]2.电池材料导热系数测试方法综述[/color][/size] 在锂离子电池材料级别方面，主要涉及的材料有电极、电解质、隔膜、电极隔膜堆和热管理高导热相变复合材料。 在材料级别方面，已经报道了电极[1]-[4]、电解质[5]、隔膜[6][7]、电极堆[2][8]的导热系数和接触热阻[9][10]测量结果。 如图2-1所示，阴极样品厚度方向上导热系数已使用保护型热流计法（ASTM E1530）进行了测量[1][12]，阴极由等体积分数的聚合物电解质以及活性材料和乙炔黑的混合物制成。经测量，在25~150℃之间复合材料导热系数在0.2 ~ 0.5 W/mK范围内变化。由于阴极材料太薄，将多层阴极材料叠加后形成1~2mm厚的可测样品，样品直径为25.4mm，测试压力为10psi以减少多层叠加后带来的接触热阻。[align=center][img=保护型热流计法导系数测试示意图,500,419]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250624120593_5244_3384_3.jpg!w500x419.jpg[/img][/align][align=center]图2-1 保护型热流计法导热系数测试示意图[/align] 如图 2-2所示，展示了锂离子电池电极材料厚度方向导热系数测量装置结构[2]。[align=center][img=,600,428]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005252355511656_8624_3384_3.jpg!w600x428.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-2 锂离子电池材料厚度方向导热系数测量装置示意图[/color][/align] 装置采用了稳态薄加热片法[13]，单层材料面积为431mm2，厚度0.42mm，被测样品为多层叠加形式。还采用了闪光法测量多层锂离子电池薄层材料的热扩散系数，并通过叠层材料不同取样方向来测量得到不同方向的热扩散系数。 时域热反射（TDTR）技术已用于测量LiCoO2薄膜厚度方向导热系数[3]，样品厚度约500nm，测量了锂化程度对导热系数的影响。循环过程中原位测量LiCoO2阴极的导热系数表明，去锂化时，导热系数从5.4W/mK可逆地降低至4.7W/mK。 如图2-3所示，采用闪光法确定由各种粒径的合成石墨制成的负电极（NE）材料的导热系数[4][14]，样品尺寸为直径约15mm，厚度范围为1.1~9.5mm，实验在室温RT，150和200°C下进行。[align=center][img=激光闪法测量原理,500,467]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250625143698_6549_3384_3.jpg!w500x467.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-3 激光闪光法测量原理[/color][/align] 同样，聚合物电解质的导热系数采用图1-1所示保护型热流计法进行了测量[5]，测量样品厚度方向上的温差，该温差用于计算总热阻，从中可提取出样品厚度方向上的导热系数。通过刮刀技术制备聚合物电解质薄膜样品，并将其夹在导热仪顶板和底板之间，然后测量温度差。据报道，在25~150℃范围内，导热系数在0.12~0.22W/mK之间变化。 如图2-4所示，隔膜材料面内方向导热系数已使用直流加热法进行了测量[6]。在100级无尘室中从26650锂离子电池中提取隔膜样品，在隔膜样品上沉积了两条相距很小的细钛线，其中一条线用作加热器，而这两条线都用于温度测量，两条线的温度作为时间函数的超快测量用于确定隔膜样品的热性能[15]。室温下的面内方向导热系数为0.5W/mK，在50℃下测量时，这些值没有明显变化。[align=center][img=,500,308]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250625463285_8933_3384_3.jpg!w550x339.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-4 隔膜材料比热容和面内方向导热系数测试示意图[/color][/align] 正负电极薄膜材料和隔膜材料厚度方向和面内方向导热系数已使用不同的稳态方法进行了测量[7]，实验装置与先前使用的一维热流计法装置非常相似[1]。样品尺寸30mm×30mm，单层膜厚度在24~106um范围内，导热系数测量结果范围为0.19~31W/mK。 如图2-5所示，采用闪光法测量了多层阳极、隔膜和阴极构成的电极隔膜堆的厚度方向和面内方向热扩散系数[8]，采用差示扫描量热仪测量了比热容，由此得到电极隔膜堆厚度方向和面内方向的导热系数。另外对从新电池中取出的电极隔膜堆在45℃下循环500次，考察了高温循环对导热系数的影响。[align=center][img=闪光法厚度方向和面内方向测试示意图,690,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250626168406_2334_3384_3.jpg!w690x400.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-5 （a）闪光法测试厚度方向和面内方向电极隔膜堆热扩散系数示意图；（b）测试过程中样品的取样形式和摆放形式[/color][/align] 除了上述关于导热系数测量的报道外，还报道了采用恒定热流法（ASTM D5470）在不同压力和温度下测量了电极隔膜堆的接触热阻[9][16]。如图2-6所示，测试过程中将被测电极隔膜堆叠层夹在两个铜块之间，并测量了叠层的总热阻。电池隔膜堆包括了涂覆有石墨的铜阳极、涂覆有钴酸锂的铝阴极、聚乙烯/聚丙烯隔膜和电解质，测试温度范围-20~50℃，压力0~250psi。通过测试得出的主要结论包括：与干电池组相比，湿电池组的接触热阻更低，并且电极隔膜堆叠热阻的温度依赖性较弱。但是，此处测得的热阻是总热阻，其中还包括材料自身热阻，而不仅仅是电池不同材料之间的接触热阻。已经测量了使用的电极和铜棒之间的接触热阻，这与电池的原位操作没有特别的关系。[align=center][img=,550,442]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250626475813_5845_3384_3.jpg!w550x442.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-6 恒定热流法（ASTM D5470）测量电池材料接触热阻示意图[/color][/align] 如图2-7所示，在另一项工作中，同样采用恒定热流法（ASTM D5470）测量了阴极和隔膜之间的界面热传导[10]。测量结果表明，锂离子电池的热特性很大程度上取决于穿过阴极-隔膜界面的传热，而不是通过电池本身的传热。这种界面热阻约占电池总热阻的88%。[align=center][img=,500,267]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250627005929_1859_3384_3.jpg!w600x321.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-7 恒定热流法测量电池材料接触热阻示意图：（a）被测样品为电极隔膜堆；（b）纯隔膜样品；（c）纯阴极样品[/color][/align] 如图2-8所示，采用瞬态平面热源法测量了石墨烯填料的混合相变材料[11][17]，石蜡相变材料在添加石墨烯前后的导热系数分别为0.25W/mK和45W/mK。[align=center][img=,500,202]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250627216467_2507_3384_3.jpg!w600x243.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-8 瞬态平面热源法测试探头和测量原理图[/color][/align] 对于锂离子电池材料这类薄膜材料，其导热系数的测量还有一种非常有效的方法就是温度波法[18]。这种方法尽管已推出多年，但应用还是较少，但今后将是一种重要的有效方法。[size=18px][color=#cc0000]3.测试方法的特点[/color][/size] 从上述综述中可以看出，电池材料导热系数采用了以下几种测试方法： （1）稳态保护热流计法：ASTM E1530； （2）稳态护热板法：ASTM C177； （3）时域反射法； （4）闪光法：ASTM E1461； （5）稳态热流计法：ASTM C518； （6）恒定热流法：ASTM D5470； （7）瞬态平面热源法：ISO 22007-2。 （8）温度波法：ISO 22007-3。 从上述所涉及的多个测试方法可以看出，与传统材料导热系数测试不同，锂离子电池材料导热系数测试呈现出以下显著特点： （1）薄膜化：锂离子电池材料基本都呈现出薄膜化的形态，所涉及的则是典型的薄膜导热系数测试技术； （2）各向异性：薄膜化的锂离子电池材料呈现出比较明显的各向异性特征，导热系数在厚度方向和面内方向上表现出明显差别，锂离子电池材料导热系数测试实际上是一个各向异性薄膜材料导热系数测试问题； （3）测试变量多：锂离子电池材料导热系数测试的另一个显著特征是测试条件变量较多，除需在传统的不同温度下进行测试之外，还需要包括其他测试条件，如不同的加载压力、SOC荷电、气氛、振动、湿度等条件，甚至还需在通电状态下。[size=18px][color=#cc0000]4.电池材料导热系数测试方法分析[/color][/size] 根据上述锂离子电池材料导热系数测试的特点，对上述各种测试方法进行分析，以寻找出那些测试方法更能适合锂离子电池材料的测试。 纵观上述测试方法，我们将它们分为稳态法和瞬态法进行分析。[color=#cc0000]4.1. 稳态法[/color] 稳态法主要包括：保护热流计法、护热板法、热流计法和恒定热流法。 稳态法的显著特点就是依据经典的傅里叶稳态传热定律，在被测电池材料薄膜样品的测试方向上形成稳定的一维热流，通过测量不同条件下的温度和热流密度来测定相应的导热系数和接触热阻。 稳态法做为一种传统方法，是在较厚的块体材料热性能基础上发展起来的测试方法，对于较大尺寸和较厚块体样品的导热系数测试非常准确和成熟，如保护热流计法、护热板法、热流计法。为了进行电池薄膜材料测试，需要对薄膜材料进行多层叠加后制成样品才能满足稳态法测量准确性要求，这种多层叠加势必会带来接触热阻的严重影响。鉴于传统稳态法对薄膜材料导热系数测试的局限性，开发的恒定热流法则部分解决了测试问题，通过独特的表面温度测试技术，可以进行百微米厚度量级的薄膜导热系数测量，非常适合测试多层膜构成的电池堆以及高导热相变复合材料。 尽管做了相应的改进，但这种在稳态法上做的任何努力都是在挖掘稳态法的潜力，是对稳态法测试能力区间的下限进行进一步的拓展，测试能力下限毕竟还是非常有限，受到了稳态法自身的制约，特别是受到表面温度和厚度测量准确性的制约，使得这种扩展空间十分有限且效果很难保证。总之，对于锂离子电池材料，暂时比较适合的稳态法是ASTM D5470恒定热流法，可以进行导热系数和热阻测量，样品尺寸适中并比较适合加载各种边界条件。[color=#cc0000]4.2. 瞬态法[/color] 瞬态法主要包括时域反射法、闪光法和瞬态平面热源法。 与稳态法恰恰相反，瞬态法是基于样品材料对热激励动态响应的一种测试方法，被测样品越薄，对热激励的响应越快，所以瞬态法的核心是检测物理量随时间变化快慢的问题。同时，在被测样品对热激励的快速响应过程中，周围环境和其他边界条件的影响反而变得很小。最主要的是，随着技术的发展，块体样品（特别是薄膜材料）对热激励的动态响应时间，在当前的电子检测技术面前都不再属于快速测量范畴，采用目前的各种电子技术手段很容易对热激励响应进行快速和准确测量。从另一方面理解，就是针对材料的热性能测试，瞬态法可以针对不同被测样品厚度范围（响应时间）采用相应响应频率范围的电子仪器和设备来实现准确测量，而目前电子仪器设备的测试能力要远远超过薄膜材料热性能测试的需求。这就是瞬态法自身的最大优势，同时也是目前市场上薄膜材料热性能测试仪器大多采用瞬态法的主要原因。 总之，瞬态法作为非接触是测量方法非常适用于致密性薄膜材料，适合测量非常薄的样品，但对于锂离子电池材料这类较低密度的薄膜材料则会遇到许多测试难题，多孔性的薄膜材料样品需要进行表面处理才能进行导热系数测量，但表面处理往往会带来渗透而改变薄膜样品的热性能。另外，瞬态法的另一个明显不足是很难在被测样品上加载各种相应的边界条件进行导热系数测量，如压力和通电等。但瞬态法中的温度波法则是一个例外，这将在下节中进行介绍。[size=18px][color=#cc0000]5.未来设想：新方法的提出[/color][/size] 从上述对电池材料导热系数测试方法的分析中可以看出，现有方法都不能很好的解决本文开始提到的锂离子电池材料导热系数测试所面临的问题，需要研究和开发新型测试方法才能应对相应的技术挑战。 通过我们的研究，我们认为将上述稳态法和瞬态法相结合的方法将会是一种有效的技术途径，具体的结合形式就是改进型的瞬态温度波法。 ISO 22007-3规定的温度波测试方法[18]，主要用于确定薄膜和塑料板在整个厚度方向上的热扩散系数。温度波法是一种通过测量样品前后表面之间温度波的相移来测量薄而扁平样品厚度方向热扩散系数的方法。使用在样品两个表面上溅射或接触的电阻器，一个作为加热器，通过交流焦耳加热产生温度波，另一个作为温度计来检测温度波。ISO 22007-3中给出了温度波法测量装置示意图，如图5-1所示。[align=center][img=温度波法热扩散系数测量装置示意图,690,473]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250627416770_5455_3384_3.jpg!w690x473.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图5-1 温度波法热扩散系数测量装置示意图[/color][/align] 从上述描述中可以看出，温度波法测量装置包括彼此面对的微加热器和温度传感器，样品安装在它们之间。向加热器提供弱的正弦电功率信号，在样品表面上产生温度波。温度传感器是一种高灵敏度电阻传感器，它使用前置放大器在将弱信号进入锁相放大器之前对其进行放大。观察到的温度信号是激发温度波和背景温度信号的混合，例如环境的温度。在交流测量中，锁定放大的一个优点是能够提取和分析信号中仅一个指定频率分量的变化，抵消室温变化的影响（误差的主要来源）以及噪声成分实现高灵敏度测量。通过将实际施加的温度波幅度限制在1℃以内或更低，可以有效地抑制对流和辐射，并确保几乎不损坏样品。此外，如果采用极小的传感器尺寸则可识别更小样品区域内的热扩散系数。 总之，采用改进后的温度波法，将具备以下几方面的显著特点： （1）在样品的夹持、厚度控制和测量方面，温度波法与稳态法基本相同，可以在测量过程中对样品加载一定的压力和其他测试条件。同时，温度波法还具备了非接触瞬态法的优点，将温度和热流测量转换为高精度的频率和相位测量，减少了误差，可以实现高灵敏的测量。 （2）尽管ISO 22007-3规定的温度波测试方法是用于测量薄膜材料厚度方向的热扩散系数，但这种方法也可以用于薄膜面内方向上的热扩散系数测量，转换后的测试方法就是经典的Angstrom周期热波法[19]。 （3）从图5-1所示的温度波测量原理可以看出，只要将交流加热形式控制为直流形式，温度波法就变成了传统的热流计法，就可以用于板材样品测量，也就是说可以进行各种规格尺寸袋装和片状锂离子电池热扩散系数和导热系数的测量。 （4）更重要的特点是，改进的温度波法结构小巧，可以与其他热性能测试方法进行集成，这方面的内容将在后续报告中进行介绍。 综上所述，我们选择并开展改进型的温度波法研究，基本可以解决本文前面所提出的锂离子电池材料测试中所面临的几方面难题，同时还兼顾了测试仪器的微型化、集成化和低成本，这将是我们今后热分析仪器发展的一个方向。[size=18px][color=#cc0000]6.参考文献[/color][/size][1] Song, L., and Evans, J. 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Power Sources, 300, pp. 123–131.[11] Goli, P., Legedza, S., Dhar, A., Salgado, R., Renteria, J., and Balandin, A. A., 2014, “Graphene-Enhanced Hybrid Phase Change Materials for Thermal Management of Li-Ion Batteries,” J. Power Sources, 248, pp. 37–43.[12] ASTM E1530 Standard Test Method for Evaluating the Resistance to Thermal Transmission by the Guarded Heat Flow Meter Technique[13] ASTM C177 Standard Test Method for Steady-State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus[14] ASTM E1461-13 Standard Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method[15] ASTM C518 Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus[16] ASTM D5470 Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials[17] ISO 22007-2 Plastics — Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity — Part 2: Transient plane heat ource (hot disc) method[18] ISO 22007-3, Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 3: Temperature wave analysis method.[19] A. J. Angstrom, Ann. Physik Leipzig 114, 513 (1861).[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

以下是常见的22种聚合物热性能参数（摘自TA公司资料）[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/05/200905092250_149316_1633752_3.jpg[/img]

1. 前言 热界面材料作为电子行业非常重要和经常使用的材料和器件，其可靠性往往决定了整个电子系统的可靠性。因此热界面材料在研制、生产和定型过程中，必须经过可靠性试验的考核和评价。 国内外对于热界面材料可靠性试验的资料文献非常有限，而且试验过程也远未达到规范化和标准化程度。本文重点选取美国莱尔德公司的热界面材料，介绍莱尔德公司在热界面材料可靠性试验方面所进行的工作，重点展现了导热脂可靠性考试试验方法、考核装置和考核结果，以期对今后热界面材料导热性能可靠性考核方法和考核试验技术的研究提供参考和借鉴。2. 莱尔德公司导热脂类热界面材料的热性能参数 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。 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参数和测试方法http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051219295916_01_3384_3.jpg3. 莱尔德Tgease 980导热脂老化考核试验 对于导热系数最高和热阻最小的Tgease 980牌号导热脂，莱尔德公司在官网上刊登了2009年10月份的可靠性测试报告，以测试和验证Tgease 980导热脂经过热冲击、高温烘烤和高湿度环境内烘烤考核试验后不会退化。具体的考核试验条件为： （1）在150℃下烘烤2000小时的试验。 （2）在125℃下烘烤2000小时的试验。 （3）在温度85℃和相对湿度85%的环境试验箱内2000小时老化试验。 （4）在-55℃至125℃之间进行2000次冷热冲击试验。 （5）在120℃至25℃之间进行4000次功率冲击试验。 在每次老化试验过程中，每250小时取出导热脂试样进行热阻测试。3.1. 考核试验1：125℃和150℃热烘烤2000小时老化考核试验 应用ASTM D5470热阻测定仪做热阻测试设备，并将被考核试样放置在两块测块之间。具体考核试验说明如下： （1）为了便于测试烘烤过程中的导热脂试样，在烘烤和热阻测试期间，被考核试样夹持在两个圆形铝块之间，试样面积约为1平方英尺，如图 3.1所示。 （2）在热烘烤条件下（125℃和150℃）过程中，采用一个夹子给被夹持试样提供一个固定的压强，如图 3.2所示，而在测试热阻时则要取下夹子。在两个铝块靠近导热脂层的边缘处有两个深孔，以便在热阻测试过程中安装温度传感器。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051219352213_01_0_3.jpg图 3.1 可靠性试验中的铝块 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051219361291_01_3384_3.jpg图 3.2 夹子夹持后的铝块和导热脂 （3）在导热脂加热烘烤前，先采用热阻仪测试被考核导热脂试样的热阻，然后加热烘烤，期间每隔250小时进行一次热阻测量，直到2000小时烘烤试验结束。 （4）考试测试中所用的热阻测定仪如图 3.3所示。在对老化过程中的导热脂热阻进行测量时，要先取出夹持有导热脂的铝块，取下夹子，然后将铝块和导热脂放入热阻测定仪中，并在两个铝块上插入温度传感器，然后再进行热阻测量，如图 3.4所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051220235739_01_0_3.jpg图 3.3 采用改进后ASMT D5470方法的热阻测定仪http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051220410805_01_3384_3.jpg图 3.4 两铝块和导热脂放置在热阻测定仪中进行热阻测量时的状态 （5）分别对导热脂进行125℃和150℃两种温度下分别烘烤2000小时，整个2000小时内导热脂的热阻测量结果如图 3.5所示，图 3.5中所表达的是与加热烘烤前导热脂热阻测量值相比较后的热阻变化百分比。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051221375939_01_3384_3.jpg图 3 5 导热脂在125℃和150℃烘烤2000小时老化考核试验过程中的热阻测量结果 从图 3.5 示的测试结果可以看出，在125℃烘烤老化过程中，TgeaseTM 980导热脂的热阻值始终小于老化前热阻值，在老化375小时左右时，Tgease 980导热脂的热阻降低了30%。而在150℃烘烤老化过程中，Tgease 980导热脂的热阻值也是始终小于老化前热阻值，在老化750小时左右时，Tgease 980导热脂的热阻降低了45%。这都说明加热烘烤老化反而有利于导热脂的热阻降低，导热脂更具有良好的传热性能。3.2. 考核试验2：在HAST老化试验箱内2000小时加速老化考核试验 应用ASTM D5470热阻测定仪做热阻测试设备，并将被考核试样放置在两块测块之间。具体考核试验说明如下： （1）为了便于测试HAST加速老化过程中的导热脂试样，在HAST和热阻测试期间，被考核导热脂试样夹持在两个圆形铝块之间，试样面积约为1平方英尺，如图 3 1所示。 （2）在HAST条件下（HAST老化试验箱内温度为85℃、相对湿度为85%），采用一个夹子给被夹持试样提供一个固定的压强，如图 3 2所示，而在测试热阻时则要取下夹子。 （3）在导热脂进行HAST加速老化前，先采用热阻仪测试导热脂热阻，然后再进行加速老化，期间每隔250小时进行一次热阻测量，直到2000小时加速老化结束。 （4）考试测试中所用的热阻测定仪如图 3 3所示。在对HAST过程中的导热脂热阻进行测量时，要先从试验箱中取出夹持有导热脂的铝块，取下夹子，然后将铝块和导热脂放入热阻测定仪中，并在两个铝块上插入温度传感器，然后再进行热阻测量，如图 3.4所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015051221364337_01_3384_3.jpg图 3.6 导热脂在HAST试验箱内2000小时加速老化考核试验过程中的热阻测量结果 在HAST老化试验箱内2000小时加速老化试验过程中导热脂的热阻测量结果如图 3.6所示，图 3.6中所表达的是与加速老化前导热脂热阻测量值相比较后的热阻变化百分比。 从图 3.6所示的测试结果可以看出，在HAST加速老化过程中，Tgease 980导热脂的热阻值始终

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

[size=16px][color=#339999][b]摘要：针对定形相变复合材料热性能测试中ASTM C1784动态热流计法和ASTM C518稳态热流计法的高精度可编程快速温度控制问题，本文提出了采用单独两路TEC半导体热电加热制冷模组作为执行机构的解决方案。解决方案中还配备了不同加热功率的TEC控制电源模块、高精度热电阻温度传感器和超高精度PID程序控制器以构成闭环控制回路，模块式结构完全能满足两种热流计法的高精度温控需求，并便于快速搭建和开发相应的热流计法设备。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align][b][size=18px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px]在储能和建筑节能领域中，会使用各种新型的定形相变复合材料，这些PCM的储热性能测试通常使用ASTM C1784“采用热流计装置测量相变材料及其产品储热特性的标准测试方法”。[/size][size=16px]ASTM C1784方法是一种基于传统稳态热流计法隔热性能测试技术（HFM）的动态测试方法，称之为动态热流计法（DHFM），因此在稳态时可测量样品的导热系数，在动态时可测量样品的热焓和比热容。建立这种动态热流计法，主要是为了进行板状大尺寸相变材料多个热性能的测试，样品尺寸通常为边长100~300mm之间的正方形板材，这种尺寸易于从定形相变复合材料实际板材中取样测试，与DSC差热扫描量热仪测试中毫克量级样品形式相比更具有材料的代表性，也是DSC的一种补充拓展测试方法。[/size][size=16px]动态热流计法的测量原理如图1所示，其原理与低导热系数稳态热流计法基本相同，不同之处一是在样品的上下两面都安装有热流传感器，二是上下加热板的温度变化相同且同步，即被测样品上下两面始终处于等温边界条件。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.复合相变材料储热性能测试方法原理图,400,174]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306251820459091_947_3221506_3.jpg!w669x292.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 ASTM C1784测量原理示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px]动态热流计法可以测试不同温度下的热焓和比热容，同时也能测量相变材料的熔点温度区间，所以在测试过程中热板温度是以很小的间隔（如0.5~1℃）进行台阶式上升或下降，同时测量温度变化过程中的热流计输出信号，由此可确定不同温度下的测量结果。测试过程中样品上下两表面和样品中心处的温度和热流变化曲线如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=02.复合相变材料储热性能测试过程中的温度和热流变化曲线,550,322]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306251821181625_6673_3221506_3.jpg!w690x404.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 C1784法测试过程中的温度和热流变化曲线[/b][/color][/size][/align][size=16px]从上述动态热流计法的测试过程可以看出，整个测试过程对样品表面的温度变化及其控制有以下几方面的要求：[/size][size=16px]（1）台阶式温升控制过程要求产生尽可能小的温度超调，减少热流测量值的积分误差。[/size][size=16px]（2）0.5℃甚至更小的温升步长或台阶，这就要求具有温度控制具有足够高的控制精度，如至少要达到0.02℃的控温精度才能实现不超过4%的测量误差。[/size][size=16px]（3）测试过程中，需要通过多个台阶升温测试过程才能完成全温度范围的测试，整个测试试验过程非常漫长。为此需要每个台阶升温过程的时间尽可能短，特别是从一个温度上升恒定到下一个更高温度台阶时的用时越小越好，而且还需同时满足温度不超调要求。[/size][size=16px]（4）整个控温过程除了快速和无超调外要求之外，还需能进行可编程自动温度控制，可根据温度范围和温度变化步长设置温度变化程序控制曲线，由此可实现整个过程的自动测试。[/size][size=16px]为了实现动态热流计法温度控制过程中的上述几个方面要求，本文提出了以下的解决方案。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px]在储能和建筑节能领域，大量使用的是相变温度较低（几十摄氏度）的定形相变材料，因热流计的使用温度较低，因此动态热流计法也只能适合这类较低温度的复合相变材料。由此，上述动态热流法温度控制过程中所需解决的问题就是一个100℃以下的高精度快速温度控制问题。[/size][size=16px]为了在10~100℃范围内实现上述高精度可编程快速温度控制，解决方案采用的TEC半导体热电片作为热板的加热器件，在此温度范围内TEC所具备的加热和制冷功能，结合高精度热电阻温度传感器和超高精度可编程PID调节器，可实现温度快速和高精度的程序控制。整个TEC温控系统结构如图3所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=03.可编程TEC半导体热电温控系统结构示意图,690,328]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306251821401288_6099_3221506_3.jpg!w690x328.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 可编程TEC半导体热电温控系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px]在图3所示的TEC温控系统中，除充分利用TEC器件的加热制冷特殊功能之外，为了保证温度变化的高精度、快速和可编程控制的技术要求，本解决方案还对温度闭环控制回路的结构和其他相关器件进行了以下设计和配置：[/size][size=16px]（1）样品上下两面的温度采用各自独立的TEC模组进行温度控制，即两个TEC闭环温度控制回路。这种结构既可以用来执行ASTM C1784 动态热流计法测试，又可以执行ASTM C518热流计法测试，区别只是上下两个热板的温度控制程序不同。 [/size][size=16px]（2）特制的TEC控制电源可根据TEC热电片加热制冷功率来进行选择，适用于多个TEC片的串联或并联使用，以满足不同样品尺寸大小的温控需要。[/size][size=16px]（3）温度传感器采用了较高精度的热电阻温度传感器，如铂电阻或热敏电阻温度传感器，由此可至少达到优于0.02℃的测温精度。[/size][size=16px]（4）在高精度温度传感器基础上，为了保证控制精度，解决方案中特别配备了高精度的可编程PID控制器。此控制器的最大特点是采集和控制精度高，具有24位AD和16位DA，采用了双精度浮点运算，可使最小控制输出百分比达到0.01%，比普通的PID控制器提高了1~2个数量级。[/size][size=16px]（5）解决方案所配置的高精度控制器同时还具备程序控制功能，支持20条程序曲线的编辑。还具有PID参数自整定功能和标准MODBUS协议的RS 485通讯接口，控制器自带的计算机软件可在计算机上运行，通过通讯接口计算机可直接运行控制软件，可进行所有参数的设置，控制参数和过程参数的显示和存储。[/size][size=16px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px]综上所述，通过本文的解决方案可以高精度和快速的实现动态热流计法测试中的温度控制，同时也能满足稳态热流计法测试中的温度控制需要。特别是模块式结构非常便于搭建和开发相关的定形相变复合材料热性能测试仪器，自带的功能强大的控制软件避免了再进行繁琐和较大工作量的软件程序编写。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

[size=14px][b][color=#000066]摘要：本文针对大气层再入飞行器、临近空间高超声速飞行器的防热设计计算和防热材料改性优化对于真实服役环境下材料热物性测试和材料处理的需求，提出了变真空和变氧分压精密控制解决方案。解决方案的关键内容是通过质量流量计控制氧含量，并通过分程控制法进行高精度的真空控制。此解放方案对应的配套装置可用于各种材料高温热物理性能参数测试和考核设备，并已在CVD和PVT工艺生产半导体材料中得到了应用。[/color][/b][/size][size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [b][size=18px][color=#000066]一、问题的提出[/color][/size][/b][size=14px]所谓氧分压氧分压定义为气体混合物中氧气体组分的压力，它对应于氧气体组分单独占据整个体积时所施加的总压力。氧分压是一个常用来表征物质氧化环境的变量，特别是在高温条件下，氧分压是一个重要的环境变量。[/size][size=14px]在飞行服役过程的高温条件下，以树脂基防热复合材料、低烧蚀和零烧蚀类结构复合材料、耐高温金属材料为代表的飞行器外层防热材料的传热性能与材料所处环境的氧分压指标密切关联。在高温环境下，树脂基防热复合材料发生的热解碳化反应，低烧蚀/零烧蚀类结构复合材料发生的碳基体、碳化硅基体升华、氧化过程，耐高温金属材料发生的表面氧化反应，均受到材料所处环境的氧含量影响。在相同的高温环境下，材料表面成分、结构和传热性能随所处环境氧分压的变化而产生巨大差异。因此，在材料研究和地面考核试验中需要在可变氧分压的高温环境中对材料进行热处理后进行各种性能测试，有时甚至在相应的测试仪器上直接模拟出可变氧分压高温环境并对材料的各种物理性能进行测试。[/size][size=14px]在飞行器用防热材料的物理性能考核和测试评价中，温度、气压和氧分压是三个重要环境变量，而目前的大多数测试试验仪器和设备最多也只能模拟出温度和气压变化环境，还无法实现可变氧分压环境的精密控制，如材料的导热系数和热辐射系数还只能在变温变真空环境下进行测试，材料烧蚀过程的性能研究还只能用高温真空环境下炭化后的样品进行测试，这些都无法获得不同氧分压下材料的真实性能数据。日前有客户提出了低气压和氧分压的精密控制要求，为以下几个方面的测试和试验提供配套：[/size][size=14px]（1）在高温真空碳化炉基础上进行配套实现变真空和变氧分压精密控制，并可多次循环，以在交变环境条件下对多种防热材料进行处理，如对树脂基防热复合材料进行炭化处理，对低烧蚀/零烧蚀类结构复合材料和耐高温金属材料进行表面处理。[/size][size=14px]（2）对烧蚀试验装置配备实现变真空和变氧分压精密控制，以考核不同温度、真空度和氧分压条件下的烧蚀性能和隔热性能。[/size][size=14px]（3）在高温热辐射性能测试设备的基础上，配套实现变真空和变氧分压精密控制，以测量不同条件下材料的热辐射性能（光谱反射率和半球向全发射率）。[/size][size=14px]本文将针对大气层再入飞行器、临近空间高超声速飞行器的防热设计计算和防热材料改性优化对于真实服役环境下材料热物性测试和材料处理的需求，提出变真空和变氧分压精密控制解决方案。此解决方案将采用分程控制来实现高精度的真空度控制，此解放方案对应的配套装置可用于各种材料高温热物理性能参数测试和考核设备。[/size][b][size=18px][color=#000066]二、解决方案[/color][/size][/b][size=14px] 根据氧分压的定义，对于氧气和氮气组成的混合气体，其中的氧分压就等于混合气体中氧气摩尔分数乘以混合气体的绝对压力值。由此可见，在氧分压控制过程中需要对氧气在混合气体中所占的摩尔分数和混合气体的绝对压力同时进行控制。[/size][size=14px]另外，在客户提出的需求中，所涉及的绝对压力都是小于一个大气压的真空环境，混合气体一般为氮气和氧气，因此氧分压的控制问题就可以归结为以下两部分内容：[/size][size=14px]（1）控制氧气在混合气体中的摩尔数。[/size][size=14px]（2）控制混合气体的真空度（绝对压力）。[/size][size=14px]为实现上述两部分控制内容，本文所提出的解决方法为如图1所示的氧分压控制系统。[/size][align=center][size=14px][img=变氧分压和变真空度控制系统结构示意图,690,391]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210262046440029_8764_3221506_3.png!w690x391.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图1 氧分压控制系统结构示意图[/align][size=14px]如图1所示，为了控制氧气在混合气体中的摩尔数，采用了两个气体质量流量计分别控制由气瓶流出的氮气和氧气，使混气罐中氧气在混合气体中的摩尔数按照设定值进行自动控制，由此保证混合气体和氧气的摩尔数之比始终为精密可控。此时混合罐中混合气体为大于一个大气压的正压。[/size][size=14px]具有确定混合气体与氧气摩尔数之比的混合气体经电动针阀进入高温炉，混合器流过高温炉后再经电动球阀和真空泵排出，通过同时快速调节电动针阀和球阀的开度使进气流量和排气流量达到动态平衡，则能实现高温炉内的真空度精密控制。[/size][size=14px]为了实现宽量程范围内的真空度控制，解决方案中配置了两个不同量程的真空计，双通道真空压力控制器采用分程控制形式进行真空度控制。分程控制形式是压力控制器分别采集两只真空计信号，当进行低气压高真空控制时，控制器将电动球阀开度控制为最大，同时调节电动针阀的开度来控制进气流量来实现高真空控制。当进行高气压低真空控制时，控制器将电动针阀调节到某一固定开度并保持不变，同时调节电动球阀的开度来控制排气流量来实现低真空控制。[/size][size=14px]总之，上述氧分压精密控制解决方案的技术成熟很高，并经过了大量试验，验证了此方案的可行性和可靠性，可完全满足客户对高温条件下氧分压控制的需求，此方案也已在众多其他真空设备和工艺中（如CVD和PVT工艺）得到了应用。[/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]