碳纖維隔熱保溫材料在真空和惰性氣體環境下高溫導熱係數測試技術

摘要：針對碳纖維隔熱保溫材料這種在高溫真空和惰性氣體環境下的唯一一類耐高溫隔熱保溫材料，本文介紹了碳纖維隔熱保溫材料高溫導熱係數測試中的特點，以及國內外針對碳纖維隔熱保溫材料導熱係數測試技術的發展現狀，並詳細介紹了國外碳纖維保溫材料導熱係數測試結果，以及上海依陽公司採用穩態熱流計法對國產石墨硬氈導熱係數的測試結果。

硬質碳纖維隔熱材料

一、碳纖維隔熱保溫材料及其導熱係數測試特點

碳纖維隔熱保溫材料是一種碳纖維與一定比例粘結劑成型製得的軟氈材料，在軟氈材料基礎上通過碳化、石墨化、機加工製成硬質碳纖維隔熱保溫材料。評價這類材料隔熱保溫性能的一個重要指標為導熱係數，而在導熱係數測試中存在著與其他類型隔熱材料不同的特點：

測試溫度高：最高至1000～2000℃以上；惰性氣體環境；真空、氮氣、氬氣、氦氣等；兩種溫度分布形式：溫度均勻和大溫度梯度；兩類材料形式：柔性和剛性；材料導電性：導電材料。

二、隔熱材料高溫導熱係數國內外常用測試方法

對於低導熱係數的隔熱材料，常用的導熱係數測試方法主要分為以下三類：

三類導熱係數常用測試方法

從以上列表可以看出，目前國內外可滿足碳纖維隔熱保溫材料導熱係數測試的商品化設備只有德國耐馳公司的穩態保護熱板法導熱儀和上海依陽實業有限公司的穩態熱流計法導熱儀，可實現在真空和惰性氣體環境下對碳纖維隔熱敗落材料導熱係數進行測試，而美國NASA的穩態熱流計法導熱儀則是非標自製的非商品數測試儀器。

2.1 穩態保護熱板法

依據的標準為：ASTM C177 和 GB/T 10294，測量原理如圖1所示。

圖1 單樣品形式穩態保護熱板法測量原理

對於穩態保護熱板法導熱係數測試儀器，目前國內外具有在高溫和真空條件下進行導熱係數測試能力的設備只有德國耐馳公司生產的商品化設備和美國NIST自製的標準化測試設備，如圖2和圖3所示。

圖2 德國耐馳公司的穩態保護熱板法導熱

圖3 美國NIST穩態保護熱板法導熱儀

2.2 穩態熱流計法

依據的標準為：ASTM C201、GB/T 10295和YBT 4130-2005。其中YBT 4130-2005完全照搬了ASTM C201，是一種採用水量熱計法進行熱流密度測量，也是一種熱流計法。穩態熱流計法的基本原理如圖4所示。

圖4 穩態熱流計法測量原理圖

對於穩態熱流計法導熱係數測試儀器，目前國內外具有在高溫條件下進行導熱係數測試能力的設備有以下四家機構的設備，如圖5和圖6所示，但只有美國NASA和上海依陽實業有限公司具有自製的標準化測試設備，如圖7和圖8所示。

圖5 國產水量熱計法高溫導熱儀

圖6 美國Orton公司水量熱計法高溫導熱

圖7 美國NASA穩態熱流計法高溫導熱係數

圖8 上海依陽實業有限公司穩態熱流計法

2.3 瞬態熱線法

依據的標準為：ASTM C1133 和 GB/T 5990。瞬態熱線法的基本原理如圖9所示。

圖9 瞬態熱線法導熱儀原理圖（平行線法

對於瞬態熱線法導熱係數測試儀器，目前國內外具有在高溫條件下進行導熱係數測試能力的設備有以下兩家公司的設備，如圖10和圖11所示。

圖10 美國TA公司熱線法高溫導熱儀

圖11 德國Netzsch公司熱線法高溫導熱儀

三、碳纖維隔熱材料測試技術現狀

從以上三類隔熱材料測試方法和相關導熱係數測試設備可以看出，商品化設備僅有德國耐馳的保護熱板法和上海依陽的熱流計法設備可以滿足碳纖維隔熱材料在惰性氣體環境下的測試要求。

國外對碳纖維隔熱材料導熱係數測試多為非標自製設備，文獻和隔熱材料廠家報導全部是熱流計法和熱線法設備。主要因為只有這兩種方法可實現高溫。

除了上海依陽實業有限公司之外，還未見到國內其他機構具有碳纖維隔熱材料導熱係數測試設備，也未見到相應的測試結果文獻報導。

四、碳纖維隔熱保溫材料導熱係數的兩種主要測試技術

從上述介紹可以看出，針對碳纖維隔熱保溫材料的導熱係數測試，目前國內外只有穩態熱流計法和瞬態熱線法能實現高溫條件下的測試。下面分別介紹這兩種方法在導熱係數具體測試中的特點。

4.1 穩態熱流計法高溫導熱係數測試

這是一種國內外隔熱材料高溫導熱係數測試的主流方法，除可實現高溫外，主要特點是模擬實際隔熱時的大溫差環境，可測量複合材料構件，並可測試不同方向上的導熱係數。

可在真空和惰性氣體控制氣壓環境下進行導熱係數測試，美國NASA有過大量文獻報導，技術非常成熟，幾乎對所有航天用隔熱材料都進行過測試評價。上海依陽也採用此技術，以滿足國內航天高溫隔熱材料導熱係數測試需求。

國外碳纖維隔熱材料生產廠家的柔性和剛性隔熱氈產品資料中也能看出採用的是穩態熱流計法。

4.2 瞬態熱線法高溫導熱係數測試

在未出現穩態熱流計法前，是隔熱材料和碳纖維隔熱材料的主流測試方法，以前多用於耐火材料導熱係數測試中。

熱線法導熱係數測試設備結構簡單，較易實現高溫測試。

熱線法導熱係數測試設備特點之一是均溫測試，得到的是真導熱係數，而不是高溫下具有大溫差時輻射傳熱起主導作用的有效導熱係數。

但對於碳纖維隔熱材料這種導電材料，要設法解決熱線高溫絕緣難題。同時整個測試過程十分漫長，需要整個樣品溫度恆定。

4.3 穩態熱流計法與瞬態熱線法測量結果的區別

穩態熱流計法導熱係數測試過程中，樣品厚度方向上存在較大溫差，在高溫下會存在導熱、對流和輻射傳熱等多種傳熱 形式，這時所測試得到的導熱係數對應於等效導熱係數。

瞬態熱線法導熱係數測試過程中，被測樣品溫度均勻無溫差，測試過程中只存在固體和氣體導熱傳熱形式， 這時所測試得到的導熱係數對應於真導熱係數。

圖12所示為兩種不同低密度隔熱材料中導熱、對流和輻射傳熱時的相應導熱係數隨溫度變化曲線，從曲線中可以明細看出，由於輻射傳熱的影響，會使得整體導熱係數明細的增加。

圖12 固體、氣體和輻射傳熱對應的導熱

另外，對同一樣品用熱流計法測試得到的等效導熱係數都比瞬態法熱線法測試得到的真導熱係數大，如圖13所示。

圖13 有效導熱係數與真導熱係數對比

五、國外碳纖維隔熱材料測試典型報導

5.1 美國 NASA Langley Research Center 工作

美國 NASA Langley Research Center研製的熱流計法高溫導熱係數測試系統技術指標如下：

被測對象：剛性和柔性片狀材料；樣品熱面溫度最高：1800℉；氣壓控制範圍：0.0001 ~ 760 torr。

美國 NASA Langley Research Center研製的熱流計法高溫導熱係數測試系統結構如圖14所示。

圖14 美國NASA和上海依陽穩態熱流計法

相關報導可參考以下文獻：

① Daryabeigi, Kamran. "Effective thermal conductivity of high temperature insulations for reusable launch vehicles." NASA/TM-1999-208972 (1999).② Daryabeigi, Kamran, George R. Cunnington, and Jeffrey R. Knutson. "Combined heat transfer in high-porosity high-temperature fibrous insulation: Theory and experimental validation." Journal of thermophysics and heat transfer 25, no. 4 (2011): 536-546.

5.2 日本 NIPPON CARBON 公司產品性能

日本 NIPPON CARBON 公司的碳纖維隔熱保溫材料主要有GF-F軟氈系列和FGL多層複合硬氈系列，如圖15和圖16所示。

圖15 Soft Felt GF-F Series

圖16 Felt Laminated FGL Series

對於這兩類碳纖維隔熱保溫材料，日本 NIPPON CARBON 公司在其官網分別給出了高溫導熱係數測試結果，如圖17和圖18所示。

圖17 日本碳公司軟氈高溫導熱係數測試

圖18 日本碳公司多層硬氈高溫導熱係數

從上述 NIPPON CARBON 公司給出的軟氈和硬氈高溫導熱係數測試結果可以看出，導熱係數測試是在20Pa的真空環境下進行，而且聲明測試的是垂直於樣品表面方向，這就代表了高溫導熱係數測試採用的穩態熱流計法，因為只有穩態熱流計法才有明確的方向性。

5.3 日本吳羽株式會社 KRECA FR石墨硬氈產品性能

日本吳羽株式會社的碳纖維隔熱保溫材料主要有KRECA FR石墨硬氈系列，如圖19所示。

圖19 日本吳羽株式會社的KRECA FR石墨

對於KRECA FR石墨硬氈系列，日本吳羽株式會社在其中文官網上頒布的高溫導熱係數測試結果如圖20所示。

圖20.日本吳羽公司硬氈高溫導熱係數測

從圖20中可以看出，高溫導熱係數測試是在1.33Pa的真空環境下進行，樣品厚度為50mm。儘管日本吳羽株式會社並未標註導熱係數測試方法，但從樣品厚度來判斷應該是穩態熱流計法，因為熱線法導熱係數測試中樣品厚度較大。

5.4 美國 Carbon Composites公司產品導熱性能

美國 Carbon Composites公司在其官網上頒布了其碳纖維隔熱保溫材料產品的高溫導熱係數在氬氣和真空環境下的測量結果，如圖21和圖22所示。

圖21 美國CCI公司碳纖維保溫隔熱材料產

圖22 美國CCI公司碳纖維保溫隔熱材料產

另外，從美國CCI公司官網的產品技術指標文件中，可以看到以上導熱係數測量結果都有明顯的導熱係數方向性標識。儘管沒有明確方向性標識，但只要是方向性標識就代表了採用的穩態熱流計法。

5.5 瞬態熱線法石墨氈高溫導熱係數測試文獻報導

澳大利亞Chahine等人在2005年報導了採用瞬態熱線法對石墨氈高溫導熱係數進行了測量：

Chahine, Khaled, Mark Ballico, John Reizes, and Jafar Madadnia. "Thermal Conductivity of Graphite Felt at High Temperatures." In Australasian Heat & Mass Transfer Conference. Curtin University of Technology, 2005.

文中報導了採用熱線法對WDF級石墨氈導熱係數進行的測試，石墨氈的密度為80 kg/m^3，石墨纖維直徑在7.0 ~12.5 μm 範圍，平均直徑為10.5 ± 3.2 μm。測試分別在真空和氬氣條件下進行，測量結果如圖23所示。

圖23 瞬態熱線法在不同氣氛環境下測量

六、上海依陽實業有限公司所做的工作

6.1 測試儀器

針對碳纖維隔熱保溫材料，上海依陽實業有限公司採用自製的商品化熱流計法高溫導熱儀（型號TC-HFM-1000）和瞬態平面熱源法導熱儀（型號TC-TPS 1010）分別進行了常溫和高溫下的導熱係數測試，在國內首次得到了碳纖維隔熱保溫材料在不同真空度下室溫～1000℃範圍內的導熱係數測試結果。瞬態平面熱源法導熱儀（型號TC-TPS 1010）以及樣品安裝如圖24和圖25所示，熱流計法高溫導熱儀（型號TC-HFM-1000）和樣品安裝如圖26和圖27所示。

圖24 上海依陽公司瞬態平面熱源法導熱

圖25 瞬態平面熱源法導熱儀測試樣品安

圖26 上海依陽公司真空型熱流計法高溫

圖27 熱流計法高溫導熱儀樣品安裝

6.2 真空型溫熱流計法高溫導熱儀技術指標

被測對象：剛性和柔性片狀材料；溫度範圍：100℃～1000℃（最高1500℃） ；氣壓範圍：10 Pa ~ 1 atm；導熱係數測試範圍：<5 W/mK；試樣尺寸：正方形 300 × 300 mm；試樣厚度範圍：10 ~ 100 mm；溫度測量精度：±1%；氣壓測量精度：±1%；導熱係數測量精度：±5%。

6.3 碳纖維隔熱保溫材料樣品（石墨硬氈）

對國內廠家提供的碳纖維隔熱保溫材料樣品（石墨硬氈）進行導熱係數測試，廠家提供了兩種尺寸規格但相同材料的石墨硬氈樣品分別用於瞬態平面熱源法和穩態熱流計法測試，材料密度為156 kg/m^3。其中一種樣品規格為50mm×50mm×40mm，如圖28所示；另一種樣品規格為310mm×310mm×44.5mm，如圖29所示。

圖28 石墨硬氈樣品 50mm×50mm×40mm

圖29 石墨硬氈樣品 310mm×310mm×44.5mm

6.4 常溫常壓大氣環境下瞬態平面熱源法導熱係數測試結果

採用瞬態平面熱源法導熱儀對石墨硬氈樣品在常溫常壓大氣環境下進行了15次的導熱係數重複測量，測試結果如圖30所示，導熱係數測量平均值為0.112±0.002 W/mK。

圖30 瞬態平面熱源法常溫常壓下石墨硬

6.5 常壓氮氣環境下採用熱流計法導熱儀測量石墨硬氈高溫導熱係數結果

針對碳纖維隔熱保溫材料的高溫導熱係數測量，首先在常壓惰性氣體（氮氣）環境下進行了不同溫度點下的高溫導熱係數測量，不同溫度下導熱係數測量數值如圖31所示，用橫坐標為樣品熱面溫度、縱坐標為有效導熱係數的圖形表示如圖32所示。

圖31 石墨硬氈樣品測試參數和結果數值

圖32 石墨硬氈有效導熱係數隨樣品熱面

從圖31所示的測量結果可以看出，擬合曲線為一條三次多項式公式，隨著熱面溫度的增大曲線向上彎曲，這說明隨著溫度的升高，輻射傳熱的作用變得更加明顯。

6.6 不同氮氣氣壓（真空度）下採用熱流計法導熱儀測量石墨硬氈高溫導熱係數結果

為了測量不同氮氣氣壓（真空度）下石墨硬氈樣品的高溫導熱係數，分別將樣品熱面溫度控制在200、600和1000℃，如圖33所示。在每個熱面溫度恆定控制過程中，再分別控制氮氣氣壓（真空度）的變化，真空度設定值分別為10、100、1000、5000和10000Pa，由此測量不同溫度下和不同真空度下的有效導熱係數，有效導熱係數測量結果數值如圖34所示。

圖33 變真空測試過程中的樣品熱面溫度

圖34 石墨硬氈在不同溫度和不同真空度

將圖34得到的有效導熱係數測量結果數值繪製成圖形，如圖35所示。從圖中可以看出，在每個恆定溫度下，有效導熱係數都會隨著氣壓的增大而增大，並在接近常壓時導熱係數變化趨於穩定，這完全符合低密度隔熱材料導熱係數隨氣壓增大的變化規律。

圖35 不同溫度下石墨硬氈導熱係數隨真

通過以上採用上海依陽實業有限公司的導熱係數測試設備進行的石墨硬氈高溫變真空條件下的測試，首次在國內得到了石墨硬氈完整的隔熱性能測試評價結果，這將有助於碳纖維隔熱保溫材料的研究、生產、質量控制和性能評價等方面的需要。

七、穩態熱流計法法導熱係數測試更高溫度（1500℃）測試系統方案

上海依陽實業有限公司現有測試設備已經證明完全可以滿足1000℃以下碳纖維隔熱材料的導熱係數測試，若需要將測試溫度提升到1500℃，需要進行以下改動，但不存在技術難度。

更換加熱方式，將金屬發熱體更換為石墨或碳/碳材料發熱體，採用更大功率的低壓大電流直流電源；碳纖維隔熱材料導熱係數一般偏高，樣品冷麵溫度控制需更換為更大製冷功率的高精度冷卻循環系統。溫度測量採用更高使用溫度的 S 型熱電偶；加厚高溫熱防護裝置以保證最高運行溫度下的安全性；真空抽取根據真空度要求配備相應的真空系統。

真空型穩態熱流計法高溫1500℃導熱係數