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航天材料熱物理性能測試技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
航天材料熱物理性能測試技術(shù) 的發(fā)展現(xiàn)狀
何小 瓦
(航 天材料 及工 藝研 究所 北 京 9200 信 箱 73 分箱 15 號(hào) 100076 )
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：A
摘 要 根據(jù)航天材料熱物理性能測試技術(shù)的特點(diǎn)，系統(tǒng)介紹了國內(nèi)航天材料熱物理性能測試技術(shù)的發(fā)展
狀況和發(fā)展趨勢,，并詳細(xì)介紹了目前我國航天材料熱物理性能測試領(lǐng)域中所具備的測試技術(shù)和測試裝置,、航天熱
物理性能所涉及的研究領(lǐng)域和內(nèi)容以及 目前正在開展的研究工作。
關(guān)鍵詞 航天材料 熱物理性能 測試技術(shù) 動(dòng)態(tài)測量 高溫 介電性能
A ctu a l S ta te o f T h erm op h yscial P ro p e rties M ea su rem en t
T ech n o lo gies fo r A erosp a ce M a terials
H E X lao —w a
(A erospace R esearch Institute of M ater i als and Processing Technology ,， Beiji~ 9200 —73 —15 100076)
A b stra ct B ased on th e ch aracte r i stics o f the rm ophysica l prope rtie s m e as urem en t tec hnologies o f
aerospace m ate rials ,， th e ac tual state a n d the tende ncy in rese arch on the rm ophysical prop e rties m e asurem e nt
tec hnologies o f aer o spac e m ate r i als ale introdu ced ． 3 h e c urrent te eh nologies a n d appara tus in the area o f term o—
p hysical prop e rties m esurem ents are described in detail． 3h e research areas a n d item s ， relate d to therm ophysi—
c a l p r o p e rties m easure m e nt techn olo gie s ,， ale also p res ente d ．
K e y w ord s | A erosp a ce m ate r i a l | 3"n erm ophysica l | pr o p e rty | M eas ure m e nt te c h n ology | D yn am ic Ⅱ1ea— |
sure m e nt | H i【gh tem p e rature | D ie le c tric p r o p e rty |
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1 引 言
材料的熱物理性能是材料 的基本性能,， 也是進(jìn)
行航天材料研制和航天工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù) ， 這些
參數(shù)主要包括： 熱導(dǎo)率,、熱擴(kuò)散率 ,、熱膨脹系數(shù) 、 比
熱,、熱輻射系數(shù) ,、電阻率 、介電常數(shù)和損耗角正切等 ,，
這些參數(shù)對熱應(yīng)力計(jì)算 ,、熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì) 、各種防熱隔
熱材料研究及吸波和透波材料的研究都是*
的,。
航天材料熱物理性能測試分析可以用三個(gè)字來
概括它的特點(diǎn) ,， 即“廣”,、“全”和“寬”。 “廣”即廣泛測
定 了上百種航天材料的熱物理性能,。 “全”即可以全
面地測試分析材料的各種熱物理性能。 “寬”即測試
的溫度 區(qū) 間寬 ,， 可 以從 低 溫 到 高 溫 ( 一196 cI=
3 000℃以上) ,。 另外 ，隨著航天科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,， 對
熱物理性能測試技術(shù)提出了更多的要求,。
收稿 日期：2(D ~-4)4-25
作者簡介 ：何小瓦(1963 一) ，男 ,，高級(jí)工程師 ,，主要從事于材料熱物理性能的研究。
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第 4 期 航天材料熱物理性能測試技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 · 2 1 ·
2 航天材料熱物理性能常規(guī)測試技術(shù) 2．3 比熱容測試儀器
航天材料熱物理性能測試技術(shù)研究始于 60 年
代， 隨著中國航天事業(yè)的迅速發(fā)展 ,，在其后的幾十年
中,，航天材料的熱物性測試技術(shù)研究取得 了很大的
進(jìn)展，為滿足航天事業(yè)的迫切需要 ,，建立了一系列能
適用于廣寬溫度范圍的有相當(dāng)高水平的熱物性測量
裝置,， 在熱物性測試研究標(biāo)準(zhǔn)化和系列化方面與國
際接軌 ，開展了大量工作 ,，制定 了許多熱物性測量方
法的各種標(biāo)準(zhǔn),， 由此 ，建立起了比較系統(tǒng)和完備的熱
物理性能測試分析實(shí)驗(yàn)室 ,， 為航天材料 的研制生產(chǎn)
提供了大量測試分析數(shù)據(jù),，并在此基礎(chǔ)上，建立了航
天材料熱物理性能數(shù)據(jù)庫,。
目前,， 航天熱物理性能測試分析實(shí)驗(yàn)室的主要
常規(guī)性測試技術(shù)手段主要包括。
2 ．1 熱導(dǎo)率測試儀器
由于航天材料所涉及 的材料種類繁多,， 在不同
材料和不同溫度范圍之間,， 材料的熱導(dǎo)率數(shù)值將有
巨大的差異 ，必須采用不同的測試技術(shù)和相應(yīng)的測
試系統(tǒng)才能滿足需要,。 這些熱導(dǎo)率測試系統(tǒng)主要包
括雙試樣小平板低溫?zé)釋?dǎo)率測試儀器,、單試樣大平
板熱導(dǎo)率測試儀器、單試樣小平板熱導(dǎo)率測試儀器,、
熱流計(jì)式熱導(dǎo)率測試儀器和激光脈沖法熱導(dǎo)率測試
儀器,。 通過這些測試系統(tǒng),， 使得材料熱導(dǎo)率的測試
溫度覆蓋 了從 一196 oC 一3 000 oC 的寬廣范 圍， 被測
的材料種類可以是各種金屬 ,、非金屬均質(zhì)剛性材料,，
也可以是非均質(zhì)絕熱材料、涂層和油脂類材料,。
2 ．2 熱膨脹系數(shù)測試儀器
在航天材料熱膨脹系數(shù)測試技術(shù)中,，一般采用頂
桿法進(jìn)行測量。 而在超高溫條件下,， 只能采用非接觸
探測技術(shù)進(jìn)行測量,。 目前所建立 的常規(guī)熱膨脹系數(shù)
測試儀器主要有低溫立式頂桿法熱膨脹系數(shù)測試儀
器、中溫立式頂桿法熱膨脹系數(shù)測試儀器,、 中溫立式
頂桿法大試樣熱膨脹系數(shù)測試儀器,、高溫臥式頂桿法
熱膨脹系數(shù)測試儀器和激光掃描式超高溫?zé)崤蛎浵?/span>
數(shù)測試儀器，測試溫度覆蓋了從 一196 ~C 3 000 ~C ,， 同
時(shí)還可以進(jìn)行金屬材料熔點(diǎn)測量,、高溫?zé)犭娕紭?biāo)定和
材料燒結(jié)過程 的模擬分析試驗(yàn)。 在所有的頂桿法熱
膨脹系數(shù)測試儀器中,，采用了*的光柵位移測量
技術(shù) ,，整個(gè)測試過程 由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，很好地滿足
了材料研制和生產(chǎn)質(zhì)量控制的檢測需要,。
比熱容測試儀器的配備也是根據(jù)不 同材料類
型,、試樣大小和測試溫度范圍來確定的， 主要有低溫
比熱容測試儀器 ,、下落式銅卡計(jì)法 中溫 比熱容測試
儀器,、多試樣下落式量熱計(jì)法中溫比熱容測試儀器、
D SC 示差掃描量熱計(jì)法 比熱容測試儀器和下落式銅
卡計(jì)法高溫比熱容測試儀器 ,，測試溫度覆蓋了從 一
196 c【= 一3 00 0 oC ,。
2 ．4 微波介電性能測試儀器
微波介電性能測試儀器主要用于測量常溫條件
下低損耗材料 (透波材料 ) 和高損耗 (吸波材料 ) 在
2G H z 18 G H z 頻率范圍內(nèi)的介 電常數(shù)和損耗角正
切。 對于低損耗透波材料 ,，測試系統(tǒng)可以自動(dòng)連續(xù)
在此頻率范圍內(nèi)掃頻測量,。
3 航天材料超高溫?zé)嵛锢硇阅芏鄥?shù)
測試技術(shù)
航天材料在使用過程 中， 經(jīng)常會(huì)處于幾千度以
上的超高溫 ,，有時(shí)還伴隨著高溫突變過程,。 所以超
高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)是航天材料和各種型號(hào)設(shè)計(jì)必
須的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
為了測量材料在超高溫下的熱物理性能,，需要
對試樣加熱以達(dá)到某一要求的溫度和在所的方
向上建立一定的溫度梯度,。 而傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)已經(jīng)
無法滿足 目前航天材料對超高溫?zé)嵛锢硇阅艿臏y試
需求 ，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面,。
3 ．1 傳統(tǒng)的測量方法一般采用外部加熱器 ,，如前面
所述的常規(guī)性熱物理性能測試系統(tǒng),。 這種加外部加
熱器的測量方法 ，其熱慣性通常較大,， 當(dāng)變換測試條
件時(shí),，需要較長的時(shí)間恢復(fù)平衡。 同時(shí),，還需嚴(yán)格的
絕熱及保護(hù)加熱措施以達(dá)到一定的實(shí)驗(yàn)邊界條件,。
這使得試驗(yàn)裝置復(fù)雜化 ，測量所經(jīng)歷的時(shí)間較長,。
3 ．2 在高溫范 圍內(nèi)輻射加熱方式也使得測試過程
受到很大限制 ，這主要是 由于試樣和外部加熱器所
用的發(fā)熱體材料長時(shí)間的處于高溫狀態(tài)下 ,， 而對于
大多數(shù)材料 ,，當(dāng)溫度高于 2 000 ~C 時(shí) ， 由于傳熱強(qiáng)化,、
化學(xué)反應(yīng)蒸發(fā)擴(kuò)散和機(jī)械強(qiáng)度降低等原因,，會(huì)帶來
很多問題 ，甚至使得測量根本不可能進(jìn)行,。
3 ．3 隨著航天材料的發(fā)展,， 高溫材料采用了復(fù)合材
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宇航 計(jì)測技 術(shù) 2OO4年
料的形式,，這就使得這些非均質(zhì)材料所做 的試樣無
法滿足傳統(tǒng)測試方法的要求 ， 因此,， 采用新 的測試方
法和縮短測量過程所經(jīng)歷 的時(shí)間,， 在超高溫?zé)嵛锢?/span>
性能測試中尤顯重要。
由此,， 根據(jù)航天材料的特殊需要,， 我們開展了超
高溫快速熱物理性能測試技術(shù)的研究 ， 采用大電流
直接通過試樣進(jìn)行加熱 的方法較好地解決這些 問
題 ,，整個(gè)測試系統(tǒng)可以進(jìn)行 3 000℃以上的超高溫?zé)?/span>
物理性能測試,， 如果被加熱試樣允許 ， 可以進(jìn)行更高
溫度的測量,。
由于這種*不需要外部加熱器 ,，且容易達(dá)到
所需的邊界條件， 無論從測量過程經(jīng)歷的時(shí)間和試
驗(yàn)難度來看 ,，都大大地減小了,。 另外 ，所加入的能量
可以通過電量的測量方便地計(jì)算出,，無需熱量計(jì) ,， 因
此,， 測量裝置也有所簡化 ，這樣使得整個(gè)測試系統(tǒng)運(yùn)
行可以長期的穩(wěn)定可靠,。 測量采用棒或條狀試樣以
表征材料的不均勻性 ,， 當(dāng)大電流(脈沖或恒定) 通過
時(shí)，通過控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制,，溫度能迅速上升至穩(wěn)
態(tài),。 配以響應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí)的高速光學(xué)高溫計(jì)和數(shù)
據(jù)采集控制系統(tǒng) ，能精確地控制整個(gè)測量過程 ,，使其
在試樣狀態(tài)惡化之前結(jié)束,。
這種直接通電法的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)
多個(gè)熱物理性能參數(shù)的測試 ， 即可在同一試驗(yàn),、同一
試樣上 ,，可同時(shí)或相繼測量熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率 ,、 比熱
容,、線膨脹系數(shù)、 電阻率,、單色發(fā)射率和總半球發(fā)射
率等多個(gè)熱物理性能參數(shù),。
直接通電法大的局限性在于被測試樣必須是
導(dǎo)電材料 ，但結(jié)合 目前 已配備的各種輻射加熱式熱
物理性能測試儀器 ,，基本上可以覆蓋各種高溫材料
的熱物理性能測試,。
4 防熱系統(tǒng)和材料的特殊熱性能測試
技術(shù)
在許多特殊的高溫使用環(huán)境下 ， 防熱系統(tǒng)和材
料的特殊熱性能測試技術(shù)研究是其 中一個(gè)重要研究
項(xiàng) 目,。 目前我們正在開展這方面的研究工作 ,， 這些
特殊熱性能測試技術(shù)主要包括以下幾方面的內(nèi)容。
4 ．1 有效熱導(dǎo)率測試技術(shù),。 在一些特殊 防熱系統(tǒng)
和材料在使用過程中,，外表面溫度經(jīng)常會(huì)達(dá)到很高
的溫度， 而內(nèi)表面溫度需要保持在室溫狀態(tài),， 這就需
要了解在大的溫度梯度下防熱系統(tǒng)和材料的整體有
效熱導(dǎo)率,。 在有效熱導(dǎo)率的測試研究過程 中， 除了
需要模擬防熱系統(tǒng)和材料 的大范 圍溫度梯度外 ,，還
需要模擬不同的大氣壓力環(huán)境,。 在有效熱導(dǎo)率測試
技術(shù)中，測試環(huán)境要*模擬真實(shí)的溫度和壓力環(huán)
境 ,，這樣就必須要求被測試樣 的冷面始終保持在室
溫溫度下,。 為了實(shí)現(xiàn)這一條件 ，其關(guān)鍵技術(shù)就是研
究厚度為 1 m m 以下的薄膜式熱流計(jì) 以及相應(yīng)的標(biāo)
定技術(shù)。
4 ．2 高溫?zé)彷椛湎禂?shù)測試技術(shù) ,，測試溫度范圍為室
溫 ～2 000 oC ,。
4 ．3 高溫靜態(tài)熱震和高溫氧化損失率測試技術(shù)。
5 航天材料生產(chǎn)和質(zhì)量控制 中熱物理
性能的動(dòng)態(tài)多參數(shù)測試技術(shù)及其應(yīng)用
隨著我國航天事業(yè)和其它民用技術(shù)的發(fā)展,，材料
的生產(chǎn)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室小批量研制轉(zhuǎn) 向大規(guī)模多批量
生產(chǎn) ,，相應(yīng)的質(zhì)量控制也越來越得到重視 ， 由此對材
料的熱物理性能測試技術(shù)提出了更高的要求,。 例如,，
在運(yùn)載火箭低溫貯箱絕熱材料、飛機(jī)剎車片,、煉鋼高
爐碳磚,、建筑保溫材料和電冰箱、冷藏車等所用絕熱
材料的生產(chǎn)過程中,，熱導(dǎo)率是材料質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)指
標(biāo),。 目前國內(nèi)外在這類材料的熱導(dǎo)率測試中，普遍采
用護(hù)熱板穩(wěn)態(tài)測試方法,，測試周期一般需要 6 小時(shí)以
上,，特別是對于低溫隔熱材料的測試,， 由于溫度傳感
器的散熱影響使得試樣直徑必須大于 200 姍 以上 ,，
這樣造成測試周期更長。 對于建筑隔熱材料的熱物
性測量,，測試周期也都在幾個(gè)小時(shí)以上,，并且測試系
統(tǒng)龐大，測試樣品制作復(fù)雜,。 而對于柔性絕熱材料 ,，
目前還沒有更好的隔熱性能測試方法。
針對這些存在的問題 ,，我們開展 了動(dòng)態(tài)熱物性
測試技術(shù) 的研究工作 ,， 并建立了相應(yīng) 的測試 系統(tǒng)。
在此項(xiàng)測試技術(shù)中,， 采用了類似于熱線法的測試原
理 ,，但熱線用薄膜熱源來代替，并且此種薄膜熱源本
身也作為溫度傳感器來使用,。 由此技術(shù)所建立的測
試系統(tǒng)可以幾分鐘的時(shí)間內(nèi)測量熱導(dǎo)率為 500 W ／
mK 以下的各種形態(tài)的材料 ,，測試溫度范 圍為 室溫
～ 700 oC 。 同時(shí)測試 系統(tǒng)在測量熱導(dǎo)率 的同時(shí)還可
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第 4 期 航天材料熱物理性能測試技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
以測量出熱擴(kuò)散率和比熱容。
此項(xiàng)測試技術(shù) 由于對試樣沒有特殊的要求 ， 這
就可以實(shí)現(xiàn)在材料的制作現(xiàn)場檢測出材料的熱物理
性能,，并且此技術(shù)可以覆蓋 目前所有絕熱材料在大
多數(shù)使用環(huán)境下的熱物理性能測試 ,， 同時(shí)還可以對
各種金屬材料 、氣體和液體的熱物理性能進(jìn)行測試,。
由于對環(huán)境和試樣 的要求低,， 這就為各種材料的研
制生產(chǎn)提供有效的現(xiàn)場檢測手段。
在許多領(lǐng)域中的各種特性也都可以用熱物理性
能參數(shù)來進(jìn)行表征 ,， 如無損探傷,、復(fù)合氣體濃度、 真
空度,、氣體流速 ,、土壤特性、巖石特性,、食品特性,、寶
石鑒別、交流電量計(jì)量,、微波功率測量以及微觀熱物
理性能檢測等,。 而這些特征表征的基礎(chǔ)就是動(dòng)態(tài)測
試技術(shù) ，所以此項(xiàng)動(dòng)態(tài)多參數(shù)熱物理性能測試技術(shù)
在工業(yè)領(lǐng)域的測試 中有著重要的意義,，并且動(dòng)態(tài)測
試技術(shù)應(yīng)用研究的市場潛力巨大,。
另外 ，在傳統(tǒng)的熱物理性能測試技術(shù)的基礎(chǔ)上,，
我們結(jié)合新技術(shù)成果,， 對多參數(shù)動(dòng)態(tài)測試技術(shù)進(jìn)
行了研究。 如采用*的能同時(shí)測量溫度和熱輻
射系數(shù)的紅外溫度測試技術(shù),， 結(jié)合現(xiàn)有成熟的激光
脈沖法測試儀器,， 研究 了在激光脈沖法測試儀器上
同時(shí)進(jìn)行熱擴(kuò)散率、 比熱容和熱導(dǎo)率的測試技術(shù),。
6 介電性能變溫測試技術(shù)
在一些重要的介電材料中,， 介電性能與整體的
電氣性能有直接關(guān)系。 介電性能中主要的是介電
常數(shù) ,、損耗角正切和透波率這三個(gè)參數(shù) ,，它們是衡量
介電材料性能質(zhì)量好壞的主要依據(jù)之一。 因此在介
電材料的研制 ,、生產(chǎn)和使用過程中,，這三個(gè)參數(shù)是考
核、檢驗(yàn)材料產(chǎn)品性能的關(guān)鍵指標(biāo) ,。
在常溫環(huán)境下的介電性能測試 ,， 國內(nèi)目前的技
術(shù)手段無論在測試精度和準(zhǔn)確性上已經(jīng)達(dá)到了
*水平 ,，如前所述的寬頻帶掃頻測試技術(shù)。 但高
溫環(huán)境下的介電性能技術(shù)卻與國外還有很大差距 ,。
所以 目前國內(nèi)的技術(shù)現(xiàn)狀造成了無法在變溫條件下
進(jìn)行準(zhǔn)確的介電性能評(píng)估,， 由此介電材料變溫測試
技術(shù)研究是 目前研究面臨著的一個(gè)重要課題。
目前我們 已經(jīng)開始進(jìn)行此方面的研究工作 ,，研
究的內(nèi)容就是針對介電材料在高溫和寬頻帶范圍內(nèi)
的介電性能參數(shù)需求 ,，開展介電常數(shù)、損耗角正切在
以上高溫和頻譜范圍內(nèi)的測試技術(shù)研究 ,，并研制相
應(yīng)測試系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)測試方法,， 同時(shí)根據(jù)準(zhǔn)確的測量
結(jié)果計(jì)算出變溫透波率參數(shù) 。 并且通過以上研究工
作 ,，終建立起有效的高溫寬頻譜介 電性能測試手
段 ,，促進(jìn)介電材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并使得介電材料的研
制及產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到一個(gè)新高度,。
7 熱物理性能標(biāo)準(zhǔn)參考材料
熱物理性能測試方法有很多是在特定的條件下
為特定的研究 目的而建立的,， 即使是一些經(jīng)典常規(guī)
的方法也往往因?yàn)楦鞣N原因而引人種種偏差， 因此
對使用各種測試儀器所獲得的材料熱物理性能數(shù)據(jù)
正確與否必須進(jìn)行驗(yàn)證,。 從計(jì)量角度來說,， 熱物理
性能測試儀器也必須進(jìn)行周期性的校驗(yàn)。
驗(yàn)證或校驗(yàn)的有效和簡單的方法就是采用由
國家*規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)參考材料 ,， 以此標(biāo)準(zhǔn)參考
材料作為熱物理性能量值的傳遞標(biāo)準(zhǔn),。
迄今為止上尚未建立各 國* 的標(biāo)準(zhǔn)參考
材料 ，并且國內(nèi)多年來也未建立起熱物理性能量值
傳遞標(biāo)準(zhǔn)體系,。 所 以,，我們根據(jù)航天材料熱物理性
能測試的特殊情況 ,，采用了美 國國家標(biāo)準(zhǔn)局 (NIST )
的熱物理性能量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)體系,，建立了一系列的
熱導(dǎo)率 、比熱容和熱膨脹系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)參考材料,。 在
2 500 oc 以上 ,，采用各種難熔純金屬材料作為熱物理
性能標(biāo)準(zhǔn)材料 ， 以文獻(xiàn)值作為標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù),。 通過
以上工作,， 我們建立起 了比較完備的熱物理性能標(biāo)
準(zhǔn)參考材料體系 ，為熱物理性能測試 的準(zhǔn)確可靠提
供 了保證 ,。
綜上所述 ,， 隨著科學(xué)技術(shù)特別是航天技術(shù)和航
天材料的飛速發(fā)展 ，航天材料熱物理性能測試技術(shù)
的研究范疇正在不斷擴(kuò)展和深化,， 其發(fā)展趨勢主要
體現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：
(1) 從穩(wěn)態(tài)測量技術(shù) 向動(dòng)態(tài)測試技術(shù)發(fā)展 ,；
(2)從破壞性取樣的測量向非破壞無損全場、實(shí)
時(shí)測量發(fā)展 ；
(3 ) 由接觸式測量向非接觸測量發(fā)展 ,；
(4) 由單一性能向一機(jī)多用,、多種性能同時(shí)測量
發(fā)展 ；
(5) 測量裝置和試樣向小型化發(fā)展,；
(6) 向其它測試領(lǐng)域和特性表征方向發(fā)展