金屬所材料熱物理性能測試研究五十年

2020-11-07 上海依陽實業


編者按：中國的熱物理性能測試技術的研究起步於1960年左右，基本與歐美處於同步發展水平，以中科院瀋陽金屬研究所何冠虎和周熙寧老師為代表的老一輩學者則是我國熱物理性能測試領域的開拓者。這裡轉載兩位前輩所撰寫的文章，一方面是為了部分展示我國熱物理性能測試技術的發展歷史，另一方面是表達對前輩老師們的崇高敬意。

原文作者：何冠虎 周熙寧（中國科學院瀋陽金屬研究所）


準確的熱物理性能數據是材料製備、熱過程控制、熱結構設計計算的基礎。金屬所建所之初，在開展金屬物理基礎研究的同時，十分重視物理性能測試方法和測試裝備的研究工作。1958高溫測試研究室正式成立，其任務是結合高溫材料的發展與使用，在高溫測試方面進行有關的系統研究，為金屬所日後成為全國高溫熱物理性能測試基地的重要成員單位之一打下了堅實的基礎。

1961年，國家科委決定成立包括一批研究所和高校在內的高溫測試基地，承擔科研，協作和仲裁任務，由李薰教授任領導小組組長，嚴東生教授和姚桐斌教授任副組長，周本濂和周熙寧等同志任組員。從此金屬所在李薰所長的領導下，以該基地重要成員單位的面貌投入到熱物性測試的研究工作中。

60年代，金屬所在國外嚴密封鎖和資料匱乏的情況下，依靠自己的力量，初步建成了一批測試裝置，並有不少是創新性的研究工作。如1963年基本建成的縱向熱流絕對法金屬熱導率測試裝置，中心加熱器上下試樣組合方式有別於傳統的熱源與熱匯兩端設置，能充分利用中心熱源功率，以工業純鐵為標準參考試樣，所得結果表明在70℃～800℃範圍內的熱導率，接近文獻結果；金屬所於1963年基本建成比長儀直測法線膨脹儀。建成電熱穩態法高溫熱導率測試裝置。首先提出彈性模量測試的端點懸掛聲頻共振法。克服了高溫下試樣內耗大不易激發振動的困難。端點懸掛聲頻共振法高溫彈性模量測試方法和裝置與電熱穩態法石墨高溫熱導率測試方法和裝置於1965年通過委託單位專家的驗收鑑定，全部合格。此外，1500℃電脈衝石墨高溫比熱，1000℃脈衝回波法鋼材小試樣彈性模量，1000℃聲頻共振彈性模量，1000℃示差線膨脹裝置也都相繼建立。

70年代在我國第一顆返地衛星研製任務的帶動下，金屬所的高溫熱物性測試研究進入全盛的發展時期。衛星裙部熱控材料鉬合金板材厚度僅幾個毫米，熱導、比熱、模量、熱膨脹、熱輻射等性能均是必不可少的設計參數，1960年代建立的測試方法已不能滿足板材熱物性的需求。於是雷射熱導，銅卡計比熱，板材示差法和直測法線膨脹，電熱穩態法半球發射率，彎曲共振法彈性模量等一系列測試裝置相繼建成。1974年7月在北京召開的第一屆空間熱物理會議全面反映了衛星熱控設計，熱控材料製備，熱模擬試驗和熱物理性能測試方法和裝備的最新結果，金屬所的熱物性測試研究工作不僅滿足了任務需求，而且測試研究水平上了一個新臺階。這一階段的代表性成績有：

（1）金屬所在國內首批合作研製雷射脈衝熱導儀，該項目在1978年獲全國科學大會獎以後，金屬所又在雷射脈衝加熱－降溫測量比熱容新方法和整機微機運控研究中取得成果。至今，金屬所的雷射脈衝法熱導率裝置已為所內和國內 70多個單位提供了400多種材料，包括金屬，合金，陶瓷，石墨，橡膠，高聚物等的可靠數據。（圖片1為儀器研製現場）。

（2）高溫半球向全發射率測試裝置的建立與發展，1971年至1974年熱物性組在建成電熱穩態法測試裝置的同時，為一批批板材及時可靠地提供了大量數據，為金屬所承擔的衛星裙部蒙皮的研製和衛星的回收起到了重要作用。在此基礎上設計製成的自動記錄高溫輻射儀是我國第一臺三參數（溫度，電流，電壓）實現自動記錄的半球向全發射率測試裝置，該裝置至今已為所內和國內高輻射率節能塗料，金屬高輻射塗層材料，難熔合金管材和板材等提供了大量發射率測試數據。

（3）建成高精度真空自動絕熱控制銅量熱計比熱測試裝置，經對α-Al2O3標準參考試樣熱溫測試表明與美國NBS、前蘇聯科學院數據相差3％，而且測量了它的熔化潛熱。

金屬所的材料熱物理性能測試研究始終以材料研製為背景，不斷建立新方法和新裝備，服務於材料研製的需求。目前金屬所仍然保持著結構材料所必須的物理性能，如熱擴散率和熱導率、比熱容、線膨脹係數、彈性模量、剪切模量、泊松比，低溫DSC相變、熔點、密度等系列測試裝備，並建立了碳－碳材料高溫雙向強度測試裝置（圖片2為雙向試驗裝置）。測試服務範圍已遍及所內和國內材料研製重點企業，研究院所和高等院校100多個單位600多種各類固體材料的高溫（2600℃）和低溫（-150℃）測試需求，金屬所已經成為全國提供熱物理性能測試數據最主要的單位之一。

90年代以來，周本濂同志在研究固體薄膜材料熱膨脹動態過程中，發現了溫度升高在先、熱膨脹有滯後的現象，說明瞬態加熱時薄膜材料內部存在巨大的熱應力。與此同時，熱物性研究組在中國科學院院長基金特別資助項目和多項國家自然科學基金項目資助下開展了二維材料熱輸運性的熱膨脹的研究，取得了可喜的成果，並在863課題中得到應用。獲得了不同工藝條件下金剛石膜的熱擴散率，建立了由TEA CO2脈衝雷射（0.1s脈寬），HgCdTe紅外探測器（0.01s響應）和DAS 820M瞬態採集儀組成的測試系統，不僅測出了50um鋁、銅薄膜的熱擴散率，而且成功地探測了0.35mm金剛石膜的溫升曲線和熱擴散率。不同工藝製備的金剛石膜有不同的熱擴散率。

採用CCD非接觸法測量薄膜的熱膨脹係數，創建了由準直滷素光源，光學放大系統、CCD採集處理系統組成的測試系統，試樣因升溫膨脹時，其像邊緣移動，在CCD圖像上出現兩個邊緣像，用濾波平滑處理和多點判據法可以確定移過的光敏元數，最終計算出試樣伸長量。本方法的長度解析度達到0.2um的高精度，已獲得國家發明專利。

金屬所的熱物性測試研究之所以在國內有一定的地位，除了為材料研究提供測試數據外，是與周本濂教授力主創新，不斷開拓新領域，促進國際學術交流，多次應邀在亞洲熱物性會議上作大會邀請報告並獲得熱烈反響和好評分不開的。在一次於美國召開的國際熱物性大會上，周本濂教授作了介紹我國熱物性研究概況的報告及金屬所多人作了熱導率和比熱容測試的報告後，美國信息及數據綜合和分析中心（CINDAS）主任，著名科學家，美籍華人何焯彥（C.Y.Ho）教授十分感慨地說，想不到中國在熱物性研究領域有如此高的水平。

在即將迎來金屬所成立五十周年之時，回顧熱物性測試研究的發展歷程，撫今追昔，我們十分懷念已故著名科學家李薰院士和周本濂院士，是他們的高瞻遠矚和執著追求帶來了金屬所熱物性測試研究的成就，是他們的拓展深化和求實創新精神為我們樹立了榜樣，激勵著我們不斷前進。我們相信，金屬所熱物性測試研究之舟，在改革開放的大潮中，一定能繞過礁石，衝破急流，在曲折中登上新的航程，駛向勝利的彼岸。

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