通過改進超高溫3000℃熱物理性能測量來優化工業過程

摘要：本文介紹了歐盟Hi-TRACE項目，此項目將建立新的方法來表徵超高溫3000℃下任何固體材料的熱物理性能，並建立一系列可供工業使用的參考裝置和材料網絡。通過支持可靠的測量方法，該項目將提高對高溫材料的理解，並使航空航天和能源等行業能夠開發新穎和創新材料。

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1. 概述

在航天、航空、核能和玻璃等許多行業中各種設備都在1500℃以上的高溫環境下運行，為了優化工藝和提高競爭力，這些行業正在開發能夠在更高溫度下工作的新材料。該項目的總體目標是建立一個由各種參考裝置組成的計量基礎裝置，以便為各行業提供高達3000℃下任何固體材料可追溯的熱物理特性數據。該項目的產出將使歐洲各行業能夠顯著提高能效、減少氣體排放、提高安全性並提高關鍵應用的可靠性。

2. 需求

近年來，安全關鍵應用中的加工廠或部件的操作溫度已經升高到更高的溫度，例如1500℃以上。

（1）在空間應用中，空間模塊在高達2500℃的溫度下需要可靠的熱物理特性數據（熱擴散率、比熱、發射率和熔化溫度），以優化再入飛行器設計。ArianeGroup已經表明，數值模型可能會將再入飛行器的防護罩溫度高估600℃。為了實現更好的預測，需要採用合適的模型和精確的熱物理特性數據。

（2）在核應用中，使用當前的鋯基合金製造燃料包殼是非常普遍的。碳化矽基複合材料被認為是一種很有前途的事故容忍燃料的替代品，因為它們的氧化溫度遠遠高於鋯基合金（約2000℃對1200℃）。了解這些三維非均勻複合材料的熱擴散率和比熱對於預測它們在工業條件下的行為至關重要。

（3）在燃氣輪機中，許多設計因素會影響整體效率，但在使用熱障塗層時，通過將發動機溫度提高7%，已經取得了重大進展。然而，對於這些塗層，結合狀態（影響界面間的熱阻）對其可操作性非常關鍵，因為所用材料接近其溫度極限，幾度的差異會顯著改變燃氣輪機的可操作性。

在上述例子中，在非常高的溫度下（1500℃以上），不存在可追蹤的熱物理性質測量值，以評估測量值的不確定度。為了填補這一空白，有必要開發基於參考裝置及其相應不確定度預算的計量工具，並使用參考材料和與參考裝置的比較來驗證新的測量技術。

3. 目標

該項目的目標是通過參考裝置、新設備、校準方法、不確定度預算和參考材料，增加在非常高的溫度下熱物理特性測量的可追溯性。

Hi-TRACE項目的具體目標是：

（1）建立一個基於雷射閃光法的參考裝置，可追溯測量固體材料在1500℃和3000℃之間的熱擴散率，並確定不確定度預算。

（2）開發經過驗證的方法並建立參考裝置（基於下落式量熱法或雷射閃光法），用於1500℃至3000℃之間固體材料比熱的可追溯測量。目標不確定度為1000℃以下0.5%，以上1.5%。

（3）建立一個參考裝置，用於基於輻射或量熱方法對1500℃以上固體材料發射率進行可追溯測量。目標不確定度低於1000℃為0.5%，高於為1.5%。此外，開發有效的方法來測量高達3000℃的材料熔化溫度

（4）開發有效的方法，通過接觸熱阻量化固體材料（尤其是功能層）在1000℃以上的熱防護或侵蝕防護中的機械附著力。

（5）促進標準開發組織和最終用戶採用項目中開發的技術和測量基礎裝置。

4. 項目進程

圖1 Hi-TRACE啟動

該項目始於2018年7月在法國LNE舉行的啟動會議。Hi-TRACE項目正在尋找工業利益相關者參加諮詢委員會，每年一次。

圖2 Hi-TRACE第一次會議

Hi-TRACE聯合體於2019年4月在貝爾格勒（塞爾維亞）VINCA舉行會議，討論項目進展，並為下一個工作周期制定詳細的工作計劃。此外，還組織了諮詢委員會2019年12月的下一次會議。仍然歡迎感興趣的公司加入諮詢委員會並參加會議。

圖3 Hi-TRACE第二次會議

Hi-TRACE聯合體2019年12月在英國倫敦舉行會議，討論項目進展。此外，為了有效地考慮項目內的工業需求，同時在英國國家物理實驗室（NPL）成立了一個諮詢委員會。

5. 超越現有技術的進步

一些國家計量和指定機構運行固體材料（合金、聚合物、複合塗層等）熱物理性能測試設備，以便為行業提供具有相關不確定度的認證值。比熱、熱導率和光譜發射率的測量最高可達1000℃，有時最高可達1500℃。在之前的項目中，已經開發了一些參考裝置，並以2000℃（熱擴散率的情況）為計量標準進行了表徵。與此同時，設備製造商和學術實驗室已經開發並擴展了高達3000℃的新測量方法。該項目將進一步開發這些特性的參考裝置，以獲得1500℃至3000℃的固體材料參考值，並為工業和學術用戶提供可追溯性，以驗證其他新方法。

已知很多材料的熔化溫度高達幾千攝氏度，這些數值要麼是由學術機構獲得的，要麼是由行業本身獲得的。然而到目前為止，溫度在1500℃以上的參考材料和參考裝置都不存在，這意味著這些測量是在不可追溯的情況下進行的。該項目將提出測量高達3000℃的耐火材料熔化溫度的不確定度預算方法。

以前已經研究過應用在渦輪葉片上的隔熱層的脫粘現象，通過使用光學或紅外輻射來量化粘附狀態的非接觸和無損技術的現有方法還是無法令人滿意，並且沒有得到驗證。該項目將超越現有技術水平，提供經過驗證的接觸熱阻測量設備、專用人工參考製品和數字工具，用於表徵從室溫到1000℃以上溫度下的脫粘狀態。

6. 結果

6.1. 在高達3000℃的溫度下建立熱擴散率測量的可追溯性

通過改進所使用的感應爐（高頻發生器的改進）和實施校準溫度高達3000℃的新型雙色輻射溫度計，兩個現有的雷射閃光法裝置已被改進為在非常高的溫度下工作。

通過對石墨樣品進行熱擴散率測量，對其中一種設備的性能進行了測試。在第一步中，使用由改進的感應爐然後由電阻爐加熱的相同樣品進行比較熱擴散率測量，電阻爐用於在中等溫度範圍內進行測量的參考裝置中，因為它比感應爐具有更好的溫度均勻性。在這兩個爐子的共同工作溫度範圍（從500℃到800℃）內，獲得的結果非常一致（偏差小於1%）。第二步，在感應爐中測量這種材料的熱擴散率，最高可達2995℃。

輻射溫度計的現場校準方法是通過使用金屬-碳低共熔高溫固定點（HTFPs）來開發的，該固定點位於爐中樣品的位置。鈀-碳（1492℃）、鉑-碳（1738℃）和銥-碳（2290℃）定點單元的不同幾何形狀已被設計並用於測試所提出的校準方法。就不確定度而言，與樣品具有相同形狀和尺寸的單元給出最佳結果。

6.2. 建立溫度高達3000℃的比熱容測量的可追溯性

基於不同技術解決方案的兩種下落法量熱儀正在開發中。

在第一種情況下，由兩個熱電堆組成的熱流式量熱儀被集成在一個位於感應爐下方的等溫塊中。為了限制熱輻射從爐子進入熱電堆，在爐子和量熱儀之間安裝了一個活門系統。為了提高加熱區的溫度均勻性，已經對爐中的樣品位置進行了優化。通過修改熔爐的冷卻迴路，增強了基線的穩定性（試樣下落前熱電堆發出的信號）。

該量熱儀的熱流校準是通過電氣替代來執行的，這是由於坩堝配備有特定的加熱器，該加熱器安裝為4線制電阻，並放置在熱電堆中。在每個樣品下落後，通過焦耳效應散發的能量與樣品下落後在量熱儀中釋放的能量大致相同，從而對熱電堆進行校準。通過電校準對熱電堆靈敏度的首次測定顯示，相對於消耗的電能，線性度良好。用於測量樣品下落前溫度的輻射溫度計的原位溫度校準程序與熱擴散率測量中描述的程序相同。第一次比熱測量是在鎢樣品上用這種下落法量熱儀進行的，溫度高達2000℃。

在第二種情況下，量熱儀原型的不同元件（裝有熱敏電阻的銅塊、快門系統、感應爐、高溫計等）已經組裝好了。落樣機構及其控制（電子、軟體）正在建設中。此外，還進行了數值模擬，以評估樣品在感應爐加熱後自由下落過程中散失的熱量。

針對光譜發射率已知的樣品，提出了基於雷射閃光技術的動態比熱測量的理論概念。使用沉積在鎢樣品上的石墨塗層對其進行了實驗測試，並建立了初步的不確定度預算。

亞秒脈衝加熱裝置已被改進，用於測量溫度高於1500℃時的比熱。首次高溫脈衝加熱測量已使用該裝置在2300℃以下的純鎢樣品上進行，這些初步結果與文獻中的比熱數據吻合良好。

6.3. 建立發射率測量的可追溯性，並改進3000℃以下熔化溫度的計量

在先前項目中開發的基於量熱法的計量參考裝置正在進行改造，以便能夠在非常高的溫度下對法向光譜發射率進行可追蹤的測量。已經研究了適用於樣品架的材料，認為候選材料是氮化硼、石墨和鎢。由於氮化硼樣品架在目前的設計中很難安裝，所以只設計了石墨和鎢樣品架。已經進行了朝向更高溫度的加熱過程的有限元模擬，目前測試的最高工作溫度為1700℃。

基於輻射測量方法的其他三個現有裝置的升級正在進行中，這些輻射測量系統將通過實驗室間比對與參考系統進行比較。

聯盟選擇了固體均質材料，用於本項目第二部分組織的三個實驗室間熱擴散率、比熱和發射率測量的比較。所選材料（鉬、鎢和各向同性石墨IG210）因其熔點高而被選中，可作為雷射閃光裝置、量熱儀和發射率測量裝置在極高溫度下校準的候選參考材料。三個實驗室間比較所需的樣品（每種材料約75個樣品）已在相同的鉬、鎢和各向同性石墨塊中加工，以根據每個合作夥伴在尺寸和幾何形狀方面的要求限制潛在的不均勻性影響。在這些同質固體材料上獲得的結果將在一個資源庫中提供，並可由學術界和工業界的最終用戶下載和重複使用。

在這些實驗室間的比較之後，合作夥伴將描述「工業」材料（複合材料和金屬合金）在超高溫下的熱物理特性（熱擴散率、比熱和發射率），這些材料將由參與項目的工業合作夥伴或利益相關者諮詢委員會提供。

6.4. 建立高溫下（1000℃以上）量化脫粘的方法

雷射閃光裝置適用於通過測試樣品正面和背面的溫度測量來測量多層系統中的接觸熱阻。基於控制體積法的數值模型預測了雷射閃光實驗中溫度場隨時間的發展，並得到了驗證。用另一種裝置（基於熱成像測量）對具有特定缺陷的樣品進行測量，以找到一種有效的方法來檢測機械脫粘。

已經編寫了一份報告，介紹了為項目製作相關多層的可行性，並提出了潛在的多層系統。雙層和三層系統以及部分脫粘的雙層和三層系統的開發和表徵正在進行中。潛在的候選多層材料系統的初步測試已經在4個系統上進行：碳化矽-瓷土-莫來石、氧化鋁-玻璃陶瓷、氮化矽-燒陶瓷-氮化矽和氧化鋁-鋁箔-氧化鋁。基於這些初步測試，碳化矽-瓷土-莫來石已被推薦用於詳細表徵。

因此，在室溫下對碳化矽-瓷土-莫來石系統的雙層和三層樣品進行了雷射閃光試驗，並利用建立的反向傳熱模型計算了它們的界面熱阻值（沒有部分脫粘）。

7. 影響

Hi-TRACE項目的活動和早期成果已在國家和國際會議上通過13次投稿（口頭介紹或海報）進行了介紹。該項目已提交給2019年4月在義大利舉行的EURAMET測溫技術委員會。該委員會由歐洲國家計量研究所的溫度或熱物理特性實驗室的代表組成。2019年12月編寫了一份通訊，並放在項目網站上，一篇文章已提交給核能領域的行業刊物。

2018年底，在歐洲計量技術中心組織的熱計量暑期學校期間，向來自土耳其、斯洛伐克、希臘、波士尼亞與赫塞哥維納、塞爾維亞和義大利的國家計量研究所和指定研究所的年輕研究人員提供了與熱物理特性測量相關的專門培訓課程。將於2020年9月在ZAE（德國維爾茨堡）舉辦一次研討會，介紹該項目的工作。

為了確保項目活動與利益相關者的需求保持一致，聯合體已經建立了一個利益相關者諮詢委員會。該委員會目前由六名成員組成，另外兩名潛在候選人已確認希望成為成員。

繼與CEN TC 184 SC1「複合陶瓷」公司建立聯繫之後，有人提議在針對先進技術陶瓷領域的研究、工業和科學界的「論壇研究和標準化」期間介紹Hi-TRACE項目的進展。該活動計劃於2020年9月10日與CEN/TC 184會議同時舉行，將提供一個機會，在Hi-TRACE項目框架內取得成果後，推進標準化的任何新要求，這些成果可被認可為標準化行動。

7.1. 對工業和其他用戶群體的影響

歐洲共同體以及全世界的計量和科學界將受益於參考裝置網絡產生的高溫下可靠的熱物理特性數據，每個裝置都將附有其不確定度預算、一些候選參考材料和校準程序。這將使NMIs和DIs能夠準備商業報價，以便在項目結束後提議校準和測試服務。

可能直接受益於項目結果的主要工業領域作為利益相關者出現在項目中：航空航天工業、核工業和測量設備製造商，它們都配備了測量熱擴散率、比熱、熔化溫度和發射率的設備。

7.2. 對計量和科學界的影響

根據項目的結果，將發布一份通過雷射閃光法測量3000℃以下熱擴散率的良好實踐指南。該指南將包含有關樣品要求、測量方法和測量分析的信息，以獲得熱擴散率值。

該項目的科學成果將通過會議發言、出版物和培訓會議傳播。除此之外，還將確定在超高溫下用於校準雷射閃光裝置、量熱儀和發射率裝置的材料。

7.3. 對相關標準的影響

核應用中新型陶瓷基複合材料的使用需要熱物理測試標準，不僅要支持材料開發和性能資料庫，還要支持設計規範和部件規範文件，以及核管理委員會關於核設計批准、認證和許可的規定。

這些標準經過全球專家的驗證，將使人們對用這些「認可的」測試方法測量的熱性能的可靠性以及用這些值建立的設計和論證文件充滿信心。在該項目中，一個合作夥伴是CEN/TC 184/SC 1「先進技術陶瓷-陶瓷複合材料」的主席和國際標準化組織TC206 WG4的成員，並積極參與陶瓷性能測量領域標準的修訂。計劃利用該項目的結果提出發射率測量的新標準或更新現有的兩個標準：ISO 19628「精細陶瓷（先進陶瓷，先進技術陶瓷）——陶瓷複合材料的熱物理性質——比熱容的測定」和ISO 19629「精細陶瓷（高級陶瓷，高級技術陶瓷）——陶瓷複合材料的熱物理性質——用閃光法測定一維熱擴散率」。

7.4. 長期經濟、社會和環境影響

與通常的工業部門（煉鐵、食品、電信等）相比，航天和核工業從事長期項目（通常為10至20年）。預期的長期效益是本項目中開發的材料的完整特性（熱擴散率、比熱、發射率、熔化溫度），具有定量不確定度，甚至在可追溯性方面也沒有校準證書。

航空部門將受益於使用新的實驗工具和接觸熱阻測量模型來評估燒蝕現象的進展，例如，它有助於減少空間模塊重量、耐火材料的可持續性以及延長燃氣輪機壽命，從而減少浪費。

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