专利名称：纳米材料温度历史指示器及其测定方法
技术领域：
本发明涉及一种温度历史指示器及其测定温度的方法。
大型设备的安全运转与延长使用寿命是长期受到关注的问题。一些在极端条件下运作的设备，例如大型电站锅炉、石化厂的精炼设备等，一旦发生事故会造成经济上重大损失。在设备安全评价工作中，实际操作温度是最为重要的参数。由于这些设备运作条件恶劣，例如烟雾、氧化性气氛、设备庞大、以及长期连续运作的特点，使常规的温度检测技术(如热电偶、电阻温度计、辐射测温计等)难于奏效，目前在国际上仍未有圆满的解决方法。针对上述常规温度测量方法失效的情况，国际上先后研制了三种称为温度历史指示器的材料与测量技术，分别为(1)退火块(Templug)(美国专利US 5201583)；(2)平面有效温度注入技术(PETIT)(英国专利GB 2235213B)；(3)磁性块(Feroplug)(欧洲专利EP431578131)。一种温度历史指示器有着相似的工作原理，适用于各自特定的情况，但总的缺陷是可测的最高温度偏低，不超过600℃；当被测温度太高时，指示器便丧失了效用，因而大大限制了使用范围。
本发明的目的是寻求一种温度历史指示器和测量技术，使测量温度范围扩大，特别是提高测量上限及其可靠性。
为了达到上述目的，本发明的纳米材料温度历史指示器由纳米氧化物微粉及盛装纳米氧化物微粉的耐热合金容器组成。纳米氧化物微粉可采用SnO2、TiO2、Al2O3等纳米材料；原始平均晶粒尺寸不大于10nm。耐热合金容器可采用不锈钢制作，其形状与尺寸可按需要确定，可加工为螺栓、插销、夹片等形状，然后用夹具使之与被测设备零件表面紧密接触。
纳米材料温度历史指示器的温度测定方法是将置于被监测设备的温度历史指示器取下，用X射线衍射峰宽法测定纳米氧化物微粉的平均晶粒尺寸d,d由谢乐尔(Scherrer)公式d=Kλ/β.cosθ求出，式中K=0.89,λ为X射线的波长，θ为衍射角，β为衍射峰半高宽(扣除仪器宽度)，根据纳米氧化物微粉的平均晶粒尺寸变化与温度和时间的对应关系确定该温度历史指示器所处环境温度。当然必须事先测定用于温度历史指示器的纳米氧化物材料的平均晶粒尺寸与温度及时间的对应关系。
由于很多纳米氧化物微粉在温度高达1000℃甚至更高温时其平均晶粒尺寸仍保持在50nm左右，因此使用温度上限比现有的技术大幅度提高，而测量精度、成本、可靠性也有所提高，从而增大了温度历史指示器使用范围。
图1为纳米SnO2微粉在不同温度下保持2小时的X射线衍射图(CnKα辐射)。
图2为纳米SnO2微粉在不同温度下保持2小时后的平均晶粒尺寸(由衍射角2θ≈26.6°的衍射峰计算)与温度的关系曲线。
图3为纳米SnO2微粉退火(300-800℃)时平均晶粒尺寸(由衍射角2θ≈26.6°的衍射峰计算)与保持时间关系曲线。
图4为纳米TiO2微粉在不同温度下保持24小时后的平均晶粒尺寸与温度关系曲线。
图5为纳米Al2O3微粉在不同温度下保持24小时后的平均晶粒尺寸与温度关系曲线。
图1中，纵坐标为衍射强度(单位CPS即计数/秒)，横坐标为衍射角2θ°(单位度)，由X射线衍射峰宽法测定平均晶粒尺寸随退火温度变化的关系。
图2中，纵坐标为纳米SnO2微粉平均晶粒尺寸d(单位nm)，横坐标为温度T(单位℃)，图示纳米氧化物在不同温度保持2小时后呈现平均晶粒尺寸d与温度T有单调的对应关系。
图3中，纵坐标为纳米SnO2物微粉平均晶粒尺寸d(单位nm)，横坐标为保持时间(单位hr)，图示呈现平均晶粒尺寸d与保持温度及时间有单调的对应关系。根据测定的d值及保持时间，可以从图中所示的标定曲线确定待测环境的温度。
图4、图5中，纵坐标为纳米氧化物微粉平均晶粒尺寸d(单位nm)，横坐标为温度T(单位℃)。
实施例11、将原始纳米SnO2微粉在300-800℃温度范围内作等温退火处理，由X射线衍射峰宽法测定平均晶粒尺寸随退火时间变化的关系，结果见图3。
2、将重8克的原始纳米SnO2微粉装入Φ8×1nm的奥氏体不锈钢管内，两端用相同成分的不锈钢封闭，构成纳米材料温度历史指示器。
3、将上述纳米材料温度历史指示器放入待测温度的电炉中停留24小时后取出，并由X射线衍射峰宽法测定晶粒尺寸的变化，根据测定的d值与停留时间，利用图3所示的标定曲线确定待测环境的温度，结果如下纳米材料温度指示器测量结果750±15℃，热电偶测量结果750±5℃。
实施例21、将原始纳米TiO2微粉在350-850℃温度范围内作等温退火，退火时间24小时，由X射线衍射峰宽法测定平均晶粒尺寸随退火温度的变化，结果见图4。
2、将重8克的原始纳米TiO2微粉，装入Φ8×10mm的奥氏体不锈钢管内，构成纳米TiO2材料温度历史指示器。
3、将上述历史温度指示器放入待测温度的电炉中，停留24小时，然后由X射线衍射峰宽法测定纳米TiO2微粒的平均晶粒尺寸，利用图4所示的标定曲线，确定待测环境的温度。结果如下纳米TiO2温度历史指示器测量结果630℃±10℃。
热电偶测量结果620℃±5℃。
实施例31、将原始纳米Al2O3微粉在600～1000℃温度范围内作等温退火24小时，由X射衍射线峰宽法测定平均晶粒尺寸随退火温度的变化，结果见图5。
2、将重5克的原始纳米Al2O3微粉装入Φ8×10nm奥氏体不锈钢管内，构成纳米Al2O3材料温度历史指示器。
3、将上述温度历史指示器放入待测温度的电炉内停留24小时，然后由X射线衍射峰宽法测定纳米Al2O3微粉的平均晶粒尺寸，利用图5所示标定曲线确定待测环境的温度，结果如下纳米Al2O3温度历史指示器测量结果920℃±20℃。
热电偶测量结果925℃±10℃。
权利要求
1.一种纳米材料温度历史指示器，其特征是该指示器由纳米氧化物微粉及盛装纳米氧化物微粉的耐热合金容器组成。
2.一种如权利要求1所述的纳米材料温度历史指示器，其特征是纳米氧化物微粉的原始平均晶粒尺寸不大于10mm。
3.一种如权利要求1、2所述的纳米材料温度历史指示器，其特征是纳米氧化物为SnO2纳米微粉。
4.一种如权利要求1所述的纳米材料温度历史指示器的温度测量方法，其特征是将置于被测设备或环境的温度历史指示器取下，用X射线衍射峰宽法测定其纳米氧化物微粉的平均晶粒尺寸，根据纳米氧化物微粉的平均晶粒尺寸变化与温度和时间的对应关系确定该温度历史指示器所处环境温度。
全文摘要
本发明涉及一种温度历史指示器及其测定温度的方法。该指示器由原始平均晶粒尺寸小于10nm的纳米氧化物微粉及耐热合金容器组成。纳米氧化物微粉的晶粒尺寸由X射线衍射峰宽法测定,晶粒尺寸受温度与时间影响发生不可逆的长大,根据预先标定的晶粒尺寸与所测温度及时间的关系,由温度历史指示器纳米氧化物晶粒尺寸的变化即可确定温度历史指示器所处环境的温度。本温度历史指示器特别适用于在恶劣气氛下长期运作的大型高温设备的温度测定。
文档编号G01K11/00GK1224831SQ98122209
公开日1999年8月4日 申请日期1998年11月9日 优先权日1998年11月9日
发明者林光明, 古堂生 申请人:中山大学