主动护热式量热计准稳态法热导率测量装置和校准方法
【专利摘要】本发明公开了一种测量低导热隔热类材料的测量装置技术方案和高精度测试方法，在美国国家标准ASTME2584的基础上提出了主动护热式量热计准稳态法热导率测试方法和装置，提出了量热计校准方法和技术方案。针对不同测试材料形状和类型，提出了包括单平板试样、双平板试样和圆筒状试样测量装置的主动护热结构设计。本发明技术方案能够有效消除侧向热损失并保证一维热流，能够实现高温和超高温条件下隔热类材料的低热导率和超低热导率测量，能够实现整个温度区间内热导率的连续动态测量并同时具有较高的测量精度。
【专利说明】主动护热式量热计准稳态法热导率测量装置和校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明属材料热物理性能检测领域，涉及对各种粉体、固体和结构件形式的隔热 材料热导率、热扩散率和比热容的测量，具体涉及准稳态量热计法热导率测试原理和ASTM E2584所涉及的测量装置和测试方法，特别是一种带主动护热装置和可校准量热计装置的 高精度准稳态量热计法热导率测量装置和相应的测试方法。
【背景技术】
[0002] 热物理性能参数如热导率、热扩散率、比热容等是各种隔热材料和防火材料的设 计、制造、使用和质量控制的重要性能参数。目前国内外对防隔热材料的测试评价基本上还 是采用传统的稳态防护热板法、稳态热流计法和瞬态热线法，但随着材料科学的发展，现有 的测试技术手段已经不能完全满足需要，主要体现在以下几个方面： (1)防隔热材料的使用温度越来越高，许多工业和军工工程所使用的温度需要达到 1500°C以上。同时，随着新材料的发展，众多新型防隔热材料的隔热性能大幅度提高，代表 隔热性能的热导率参数已经可以轻松的达到比空气的热导率还低。但目前国内外现有的测 试技术手段还不能很好的满足新材料发展的需要，测试温度很少有超过l〇〇〇°C的测试方法 和设备，极个别的测试方法和设备虽然能够达到1500°C以上的测试温度，如热线法和热流 计法热导率测试方法和设备，但存在测量误差巨大等严重问题。因此，高温防隔热材料的热 物理性能测试评价是近些年来国际上比较热门的前沿性【技术领域】，也是目前工程应用中需 求广泛和迫切需要突破的技术难题。
[0003] (2)很多防隔热材料，特别是具有低热导率的防火材料和高温相变储能材料等，在 高温使用过程中会产生相变和化学反应。而这种相变和化学反应过程中材料的隔热性能和 热传递性能则是材料设计、制造、使用和质量控制迫切需要了解的热物理性能。
[0004] (3)对防隔热材料的热导率稳态法测量，目前国内外还是普遍采用经典的稳态护 热板法和热流计法，虽然最高测试温度不超过1000°c，但测量精度能够得到保证。但这些经 典稳态法的突出特点就是测试时间非常漫长，隔热性能越好热导率就越低，试样达到稳态 热平衡的时间就越长，这就从测试原理上就限制了测试效率的提高。
[0005] (4)对防隔热材料的热导率瞬态法测量，目前国内外普遍采用经典的热线法、热带 法和平面热源法。瞬态法的特点是要么测量精度高但无法实现高温下测量，要么能实现高 温下测量但测量精度差。同时，在用瞬态法测量高温防隔热材料热导率时，同样需要整个被 测试样达到热平衡，这个热平衡过程所需要的时间同样非常漫长，与稳态法测试过程所需 要的热平衡时间相比并没有多大优势，所以目前防隔热材料的高温热导率测量主要还是普 遍采用稳态法测试技术。
[0006] 为了解决上述存在的技术难题，出现了一种介于稳态法和瞬态法之间的准稳态法 热导率测试方法，即在被测试样的冷热面温度处于准稳态阶段时，只需测量获得试样冷热 面温差、表面温度变化速度和恒定加热热流密度，就可以很方便的获得整个温度区间内被 测试样热导率随温度的变化曲线。这种方法不需要测量样品达到完全热平衡，只需满足准 稳态条件，就可以得到相应状态下的热导率、热扩散率和比热容数据据。与其它方相比，准 稳态方法原理简单，实验所需时间少，能获得较多的实验数据。
[0007] 虽然准稳态法测试模型简单，而且在满足测试模型边界条件时这种方法的原理性 误差可以小于0. 5%，但在具体工程实现上很难满足相应的热边界条件，也无法进行高温下 的测试，从而使得这种准稳态热导率测试方法并未在实际中得到应用，大多仅应用在国内 大学热导率测试教学试验和教学中，真正在工程中进行高温热导率测试的相关文献基本没 有，国外在这方面的研究文献也基本没有。
[0008] 美国国家标准与技术研究院（NIST)的Bentz在上述准稳态测试方法基础上， 提出了更具有工程可操作性的量热计式准稳态热导率测试方法（Bentz，D. P.，Flynn，D. R.etc. "A Slug Calorimeter for Evaluating the Thermal Performance of Fire Resistive Materials, " Fire and Materials, Vol 30 (4) ,2006, pp. 257-270)，即增加了 一个平板量热计来测量试样处于准稳态条件下的热流密度变化。这种新型的量热计式准稳 态热导率测试方法为快速测量低热导率材料打开了一个突破口，并且美国材料与试验协会 (ASTM)很快在此基础上制订了相应的标准惯例ASTM E2584用热容量热计(插片式）测量 材料热导率标准实施规程（Standard Practice for Thermal Conductivity of Materials Using a Thermal Capacitance(Slug) Calorimeter)。
[0009] 虽然ASTM E2584这个标准惯例几经修改，甚至美国ANTER公司还出品了相应的测 试设备FireLine Model 1000,但这种方法还是没有得到很好的推广应用，相关的研究报道 也仅限于Bentz等极少数人员，目前美国ANTER公司也停产了这种测试设备。造成量热计 式准稳态热导率测试方法没有得到推广应用的主要原因是这种方法的优点突出，同时缺点 也非常突出。
[0010] 优点： (1)整个温度区间内的热物性参数连续测量：即通过一个线性升温和降温过程，就可以 获得热物性参数随温度的连续变化曲线，大大缩短了测试周期提高了测试效率。
[0011] (2)具有多参数测量功能：可以同时测量被测试样的热导率、热扩散率和比热容。
[0012] (3)材料的等效热物性测试能力：就是将被测试样等效为一个整体，可以测量出整 体材料在整个温度区间内的热物性参数变化情况，同时还可以检测到整体材料完整的相变 过程。这种优势是其它测试方法所不具备，特别适用于防火材料和相变蓄热材料的性能检 测。
[0013] (4)测试模型简单、测量装置易于工程实现，只要量热计材质耐温性能允许，可以 实现很高温度下的热物性参数测量。
[0014] 缺点：虽然测试模型简单，但要实现测试模型所要求的边界条件却很难实现，所以 带来的突出缺点就是测量误差很大，这就是这种量热计式准稳态热导率测试方法目前只能 定性测量而无法定量测量的瓶颈。无法实现测试模型所要求的边界条件主要包括以下几方 面内容： (1)量热计侧向热损失带来的影响。在量热计式准稳态热导率测试惯例ASTM E2584 中指出这种方法的热导率测试范围是〇.〇2~2W/mK。之所以确定热导率测量下限为0.02 W/ mK，是因为量热计周围用的隔热材料热导率为0. 02 W/mK，这种隔热材料是目前市场能获得 的隔热性能和强度结合在一起后综合性能最佳的隔热材料。但在量热计式准稳态热导率 测试方法的理论模型中，要求量热计除了与试样接触之外的表面都是绝热面，即热量只在 被测试样和量热计之间的接触通道内进行传递，ASTM E2584中的所有测量公式也是基于此 边界条件所获得。由此可见，ASTM E2584采用的是一种典型的被动式护热技术，这种0.02 W/mK隔热材料远远不能满足测试模型中的绝热边界条件，在实际量热计的升降温测试过程 中，这种隔热手段会给量热计带来很大的侧向热损失，这就是目前这种测试方法的最大误 差源。同时，目前国内外热导率为0.02 W/mK级别的隔热材料普遍密度很低且强度较差，材 料成本也较高，造成采用这类隔热材料做护热形式的测量装置很容易损坏，需要经常更换 护热材料，极为不便在工程中使用，这就是造成这种测试方法无法推广应用的经济原因。
[0015] (2)量热计热容不能准确确定所带了的影响。在目前的量热计式准稳态热导率测 试方法中，量热计随温度变化的热容值是一个已知量需要代入热导率计算公式中，这就需 要采用单独的测试方法测量量热计材料的比热容，然后根据量热计的质量确定出量热计的 热容。但在实际测试过程中，需要在量热计内部装配多只温度传感器，这些温度传感器的热 容也会在测试中产生影响，应该包含在量热计的整体热容中。这种量热计内其它材料热容 的忽略也会给最终测量结果带来影响，特别是高温下使用比较粗的铠装热电偶温度传感器 时尤为明显。
[0016] (3)试样加热温度不均匀所带了的影响：在量热计式准稳态热导率测试惯例ASTM E2584中并没有明确规定出试样表面温度分布的均匀性，而准稳态热导率测试方法的测试 模型和边界条件是一个典型的一维热流问题，试样加热的不均匀性会严重的破坏一维热流 过程，给测量带来误差。对于非均质各向异性材料来说，这种误差会更加明显。
[0017] 从理论上讲，量热计式准稳态热导率测试方法可以用于材料相变过程中的热物性 参数测量，应该在相变蓄热类材料中得到应用。但实际情况是，针对相变蓄热类材料的热 物性参数测量，美国材料与试验协会(ASTM)并未采用这种具有特点的量热计准稳态测试方 法，而是重新建立一种基于热流计方法上的测试方法ASTM C1784 (Standard Test Method for Using a Heat Flow Meter Apparatus for Measuring Thermal Storage Properties of Phase Change Materials and Products),但这种方法以及相应的测量装置要远比量热 计式准稳态法来的复杂。
[0018] 通过以上量热计式准稳态热导率测试方法优缺点分析，可以明显看出这种测试方 法的瓶颈点，这也是目前ASTM E2584始终被划分为标准实施规程"Standard Practice"还 不能成为标准试验方法"Standard Test Method"的原因，也是这种非常便捷的准稳态测试 方法未在应用中得到很好推广的主要原因。
【发明内容】
[0019] 在目前的准稳态量热计法热导率测试技术中，影响测量精度的最主要问题一是量 热计的热损问题，二是量热计热容的准确测量问题。为了克服现有低导热类材料高温热导 率测试技术中存在的不足，提高测量精度，使得准稳态量热计法热导率测试技术更有效的 工程中得广泛应用，本发明的目的就是设法有效降低和消除准稳态法热导率测试过程中量 热计的热损，并准确的对量热计热容进行准确的校准。
[0020] 1.为了解决量热计热损问题，本发明提出了一种主动护热装置，对温度变化中的 量热计进行主动的电加热护热，而不是采用隔热材料对量热计进行被动护热形式；也就是 在量热计不接触试样的方向上增加护热装置，使护热装置的温度自始至终与量热计温度相 同。
[0021] 在量热计不接触试样方向上增加电加热护热装置，使护热装置的温度自始至终与 量热计温度相同，使从量热计流入或流出的热量只流经试样而不发生其他方向上的热损 失，这样对量热计就形成一个绝热环境，满足了测试模型的绝热边界条件。
[0022] 2.本发明提出的主动护热装置结构形式可以根据不同的被测试样结构形式来确 定，既可以是单试样矩形或圆形平板量热计测试结构的护热形式，也可以是双试样矩形或 圆形平板量热计测试结构以及管状试样圆柱形量热计的护热形式，由此来避免量热计在无 效方向上的热损失产生。
[0023] 3、对于本发明中的单试样矩形或圆形平板量热计测试结构的主动护热装置，矩形 或圆形平板状量热计的一面与平板试样接触，而矩形或圆形平板量热计的侧面和底面则分 别由侧向护热装置和底部平板护热装置进行主动电加热护热。由此热量只在矩形或圆形 平板量热计与试样的接触面上形成热交换，矩形或圆形平板量热计的侧面和底面形成绝热 面，热量在矩形或圆形平板量热计的侧面和底面上几乎没有热交换，也就没有热损失。
[0024] 4、对于本发明中的双试样矩形或圆形平板量热计测试结构的主动护热装置，矩形 或圆形平板状量热计夹持在两个矩形或圆形平板状被测试样中间，矩形或圆形平板状量热 计的上下两个面分别与两个试样面接触，而矩形或圆形平板量热计的侧面由回形或环形侧 面护热装置进行主动护热。由此热量只在矩形或圆形平板量热计与试样的接触面方向上形 成热交换，矩形或圆形平板量热计的侧面形成绝热面，热量在矩形或圆形平板量热计的侧 面上几乎没有热交换，也就没有热损失。
[0025] 5、对于本发明中的管状试样圆柱形量热计测试结构的主动护热装置，圆柱形量热 计被管状试样包裹，圆柱形量热计的两端由棒状护热装置进行主动护热。由此热量只在柱 状量热计与试样接触的圆周面上形成热交换，柱状量热计的两个端面则为绝热面，热量在 圆柱状量热计的两个端面几乎没有热交换，也就没有热损失。
[0026] 6、在本发明提出的主动护热式量热计准稳态法热导率测试装置中，要求主动护热 装置的内侧面始终与量热计的外侧面保持小于1_的间隙，同时主动护热装置的形状随着 量热计形状而变化，且主动护热装置与量热计的中心点重合并呈对称结构；也就是如果量 热计是矩形平板，主动护热装置是矩形框状；如果量热计是圆形平板，主动护热装置是圆形 环状；如果量热计是棒状，主动护热装置则是圆柱状。由此通过小于1_的间隙可消除量热 计通过热传导形式与量热计进行热交换，使得主动护热装置只能通过热辐射和对流形式对 量热计进行护热，可以更有效的实现量热计的绝热边界条件。
[0027] 7、为了解决量热计的漏热问题，本发明还提出一种主动式护热量热计准稳态热导 率测试试验方法，在准稳态法热导率测试的全过程中，自动控制主动护热装置温度跟踪量 热计的温度变化，即在量热计温度升降变化过程中，量热计周围的主动护热装置温度始终 与量热计温度相同，使量热计处于准稳态法测试模型所要求的绝热边界条件。采用这种主 动式护热量热计试验方法可以使得量热计在整个试验的全过程中都处于绝热边界条件，在 整个试验的全过程中都满足测试模型的绝热边界条件要求，有效的降低了量热计的漏热影 响，可以明显提高测量精度。
[0028] 8、为了解决量热计热容的准确测量问题，本发明提出了一种量热计式准稳态法热 导率测试中的量热计校准装置，这种校准装置就是在量热计式准稳态法热导率测试装置中 的量热计内部布置和安装电加热丝和温度传感器，并采用绝热装置使得量热计整体处于一 个完全绝热的环境中。
[0029] 9、对于本发明的量热计校准装置中的量热计隔热装置，是为了使得整体量热计尽 可能处于绝热边界条件。实现绝热边界条件的量热计隔热装置可以采用两种结构形式，一 种是采用低导热保温隔热材料完全包裹量热计，对量热计形成一个被动绝热效果；另一种 是采用主动护热装置完全包裹量热计，对量热计形成一个主动隔热效果。
[0030] 10、为了解决量热计热容的准确测量问题，本发明还提出一种量热计校准方法，对 量热计校准装置中的量热计内部电阻丝通直流电进行加热，标定出量热计的热值曲线，即 对加热丝通一恒定直流电流，按照不同的通电加热时间测量出电加热功率和相应的量热计 最大温升。
[0031] 11、对于本发明的量热计校准方法的其中一种方法，是采用热导率尽可能低的隔 热材料包裹住量热计，使量热计整体尽可能的满足绝热边界条件，然后再对量热计内部电 阻丝通直流电进行加热，标定出在此种绝热边界条件下的量热计热值曲线。
[0032] 12、对于本发明的量热计校准方法的另一种方法，是采用主动护热装置包裹住量 热计，然后再对量热计内部电阻丝通直流电进行加热，标定出在此种主动护热即绝热边界 条件下的量热计热值曲线。在对量热计内部电阻丝通直流电进行加热过程中，主动护热装 置的温度自始至终都与量热计温度相同，使整体量热计满足绝热边界条件。
[0033] 上述技术方案可以看出，由于本发明采用了主动护热式量热计装置，就可以完全 实现量热计式准稳态法热导率测试模型所要求的边界条件，保证了量热计式准稳态法热导 率测试过程中量热计的热损很小。同时，结合量热计校准校准和相应的校准方法，无论是对 于量热计的被动绝热还是量热计的主动绝热边界条件，都能够在量热计现有热边界条件下 对量热计热容进行准确校准。另外，任何绝热手段都是相对的，都不可能达到理论上的绝对 绝热边界条件，量热计也还会存在或大或小的热损问题，但量热计的微小热损也会对量热 计的整体热容有影响，而通过在已有边界条件和热损存在的条件下进行量热计校准，可以 有效降低热损对量热计整体热容的影响，进一步提高热导率测量精度。
[0034] 本发明的主动护热装置和发明的校准方法，既可以结合使用，也可以单独使用校 准方法。将本发明的主动护热装置和校准方法结合使用，在采用主动护热装置大幅度的降 低量热计热损的基础上，通过使用量热计校准方法可以进一步降低量热计热损的影响，使 得量热计式准稳态法热导率测试在很高的测试温度范围内都能达到很高的精度。如果单独 使用量热计校准方法而采用被动护热装置，也就是在不采用主动护热装置的条件下单独使 用量热计校准方法，尽管被动护热装置造成量热计热损比较严重，但采用了量热计校准方 法后，也能最大限度的降低量热计热损对测量精度的影响，使得量热计式准稳态法热导率 测试在很高的测试温度范围内也能基本满足实际应用中的测试精度要求，测量精度虽然不 如使用了主动护热的热导率测量装置，但还是远比目前的ASTM E2584中所描述的量热计式 准稳态法热导率测试装置和测试方法的精度高很多。
【专利附图】
【附图说明】
[0035] 图1是本发明的单试样主动护热量热计式准稳态法热导率测量装置结构剖面示 意图。
[0036] 图2是本发明的双试样主动护热量热计式准稳态法热导率测量装置结构剖面示 意图。
[0037] 图3是本发明的棒状试样主动护热量热计式准稳态法热导率测量装置结构剖面 示意图。
[0038] 图4是本发明的量热计校准方法中的量热计温升曲线。
[0039] 图5是本发明的量热计校准方法中的量热计校准试验结果和拟合曲线。
【具体实施方式】
[0040] 本发明实施例提供了一种护热校准式量热计准稳态法热导率测量装置，能够有效 的消除量热计的侧向热损。本发明实施例还提供了一种量热计校准试验方法，能够有效的 降低量热计热损对测量结果的影响。
[0041] 本发明采用量热计式准稳态法材料热导率测试原理，所依据的测试模型是ASTM E2584中规定的计算公式。对于双试样测试模型，计算公式为公式（1);对于单试样测试模 型，计算公式见公式（2)。
[0042]
【权利要求】
1. 一种主动护热式准稳态量热式隔热材料热导率测量装置，其特征在于，对温度变化 中的量热计进行主动电加热护热，而不是采用隔热材料对量热计进行被动护热形式；也就 是在量热计不接触试样的方向上增加护热装置，使护热装置的温度自始至终与量热计温度 相同。
2. 根据权利要求1所述的主动护热式量热计准稳态法热导率测量装置，其特征在于， 既可以是单试样矩形或圆形平板量热计测试结构的护热形式，也可以是双试样矩形或圆形 平板量热计测试结构以及管状试样圆柱形量热计的护热形式。
3. 根据权利要求2所述的单试样矩形或圆形平板量热计测试结构的主动护热装置，其 特征在于，矩形或圆形平板状量热计的一面与平板试样接触，而矩形或圆形平板量热计的 侧面和底面则分别由侧向护热装置和底部平板护热装置进行主动电加热护热。
4. 根据权利要求2所述的双试样矩形或圆形平板量热计测试结构的主动护热装置，其 特征在于，矩形或圆形平板状量热计夹持在两个矩形或圆形平板状被测试样中间，矩形或 圆形平板状量热计的上下两个面分别与两个试样面接触，而矩形或圆形平板量热计的侧面 由回形或环形侧面护热装置进行主动电加热护热。
5. 根据权利要求2所述的管状试样圆柱形量热计测试结构的主动护热装置，其特征在 于，圆柱形量热计被管状试样包裹，圆柱形量热计的两端由棒状护热装置进行主动电加热 护热。
6. 根据权利要求1所述的主动护热式量热计准稳态法热导率测试装置，其特征在于， 主动护热装置的内侧面始终与量热计的外侧面保持小于1mm的间隙，同时主动护热装置的 形状随着量热计形状而变化，且主动护热装置与量热计的中心点重合并呈对称结构；也就 是如果量热计是矩形平板，主动护热装置是矩形框状；如果量热计是圆形平板，主动护热装 置是圆形环状；如果量热计是棒状，主动护热装置则是圆柱状。
7. -种主动式护热量热计准稳态热导率测试试验方法，其特征在于，在准稳态法热导 率测试的全过程中，自动控制主动护热装置的温度跟踪量热计的温度变化，即在量热计温 度升降变化过程中，量热计周围的主动护热装置温度始终与量热计温度相同，使量热计处 于准稳态法测试模型所要求的绝热边界条件。
8. -种准稳态法量热计校准装置，其特征在于，量热计式准稳态法热导率测试装置中 量热计的内部布置和安装电加热丝和温度传感器，并采用绝热装置使量热计整体处于一个 完全绝热的环境中。
9. 根据权利要求8所述的量热计绝热装置，其特征在于，采用隔热技术使得整体量热 计尽可能处于绝热边界条件；也就是采用低导热保温隔热材料完全包裹量热计，对量热计 形成一个被动隔热效果；或采用主动护热装置完全包裹量热计，对量热计形成一个主动隔 热效果。
10. -种量热计校准方法，其特征在于，对量热计校准装置中的量热计内部电阻丝通直 流电进行加热，标定出量热计的热值曲线，即对加热丝通一恒定直流电流，按照不同的通电 加热时间测量出电加热功率和相应的量热计最大温升。
11. 根据权利要求10所述的量热计校准方法，其特征在于，采用热导率尽可能低的隔 热材料包裹住量热计，使量热计整体尽可能的满足绝热边界条件，然后再对量热计内部电 阻丝通直流电进行加热，标定出在此种绝热边界条件下的量热计热值曲线。
12.根据权利要求10所述的量热计校准方法，其特征在于，采用主动护热装置包裹住 量热计，然后再对量热计内部电阻丝通直流电进行加热，标定出在此种主动护热即绝热边 界条件下的量热计热值曲线；在对量热计内部电阻丝通直流电进行加热过程中，主动护热 装置的温度自始至终都与量热计温度相同，使整体量热计满足绝热边界条件。
【文档编号】G01N25/20GK104267060SQ201410497396
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2014年9月25日
【发明者】武玉茹, 章弋, 何小瓦 申请人:上海依阳实业有限公司