4J29可伐合金材料低溫熱物性及彈性模量測試

文佳佳 張 添 陸 燕

(1中國科學院上海技術物理研究所 上海 200083) (2中國科學院大學 北京 100049)

4J29可伐合金材料低溫熱物性及彈性模量測試

文佳佳1，2張 添1，2陸 燕1

(1中國科學院上海技術物理研究所 上海 200083) (2中國科學院大學 北京 100049)

為了研究4J29可伐合金的低溫熱物性和機械性能，為低溫系統(tǒng)的設計、結構變形、力學穩(wěn)定性、裝調(diào)和光學校準等提供技術保障，分別選用“穩(wěn)態(tài)縱向熱流法”、“穩(wěn)態(tài)法”測試了4J29可伐合金在77—300 K溫區(qū)的熱導率和比熱容，采用彈性模量試驗機測試了77—300 K溫區(qū)的彈性模量系數(shù)。通過標準樣品材料TC4對比及誤差分析，證明熱導率測量誤差在9%以內(nèi)，其它誤差均控制在6%以內(nèi)。

4J29 可伐合金 低溫 熱導率 比熱容 彈性模量

1 引 言

隨著空間對地觀測、深空探測對高分辨率探測精度等要求的不斷提高，光電系統(tǒng)采用低溫環(huán)境工作是有效途徑，這給系統(tǒng)的集成提出了更高的要求。在低溫集成系統(tǒng)的優(yōu)化設計中，計算機仿真需要精確的材料熱物性、機械性能等數(shù)據(jù)。但隨著新材料的研發(fā)及應用，實際應用的新型材料在低溫區(qū)數(shù)據(jù)缺乏。4J29可伐合金(又稱Kovar合金)具有特殊的膨脹特性，其與硅硼硬玻璃材料在加熱及冷卻過程中具有相近的膨脹系數(shù)和熱脹冷縮速率，因此能夠?qū)崿F(xiàn)與玻璃的牢固匹配封接[1]，可用于真空密封，是目前航天紅外低溫光電系統(tǒng)中的常用材料。同時，4J29可伐合金在液氮溫區(qū)以上具有良好的低溫組織穩(wěn)定性，并且具有優(yōu)異的加工、焊接及電鍍性能，是航天低溫系統(tǒng)應用中電連接器的常用材料。4J29可伐合金的低溫熱物性和機械性能直接影響系統(tǒng)在低溫狀態(tài)下的密封性、溫度均勻性及結構穩(wěn)定性，因此，研究其低溫熱物性及機械性能，可為低溫系統(tǒng)的成功設計、低溫系統(tǒng)結構變形和力學穩(wěn)定性、系統(tǒng)裝調(diào)和光學校準等提供技術保障。現(xiàn)階段，4J29可伐合金的熱物性和機械性能低溫數(shù)據(jù)較少報道，低溫熱變形等計算機仿真中缺乏準確可信的數(shù)據(jù)，而國外代號“4J29”的材料其化學成分與國內(nèi)的4J29合金有差異，其數(shù)據(jù)不能作為仿真的參考，給設計和研究帶來了不便。因此，本文依托中國科學院理化技術研究所的低溫測試平臺，對4J29可伐合金材料工程應用常需的熱物性參數(shù)，包括熱導率、比熱容及力學性能參數(shù)(主要是彈性模量)進行了低溫物性測量，測量溫區(qū)為4J29可伐合金空間應用常用的液氮至室溫溫區(qū)，測量材料為上海鋼鐵研究所的4J29可伐合金材料，化學成分滿足國家相關標準[2](見表1)。

表1 4J29可伐合金標準化學成分

2 測量原理裝置

2.1 熱導率測量原理及裝置

熱導率的測試選用穩(wěn)態(tài)法[3]，穩(wěn)態(tài)法相較于瞬態(tài)法實驗公式簡單、可控性強和精確度高，適合寬溫區(qū)的測量，但穩(wěn)定時間較長，并對測量系統(tǒng)的絕熱、溫度控制等要求較高。測量選用縱向熱流法，將粗細均勻的4J29可伐合金試驗樣品棒置于絕熱低溫容器中，一端與大恒溫熱源保持良好熱接觸，另一端由穩(wěn)定熱源產(chǎn)生一個熱流通過試驗樣品棒，持續(xù)加熱并達到穩(wěn)定后，樣品上兩點間建立穩(wěn)定的溫度差，則樣品棒的熱導率滿足傅里葉定律[4]：

(1)

式中：λ為試驗樣品棒的熱導率，W/(m·K)；L為樣品長度，m；A為樣品棒的橫截面積，m2；Q為通過樣品棒的熱流速率，W；ΔT為加熱達到穩(wěn)定后樣品棒兩端建立的溫度差，K。

測量4J29可伐合金熱導率使用高真空絕熱杜瓦作為恒溫裝置[3]，其結構如圖1、圖2所示[3]，冷源選用G-M型制冷機。

圖1 實驗裝置示意圖1. 測試桿；2. 抽氣口(真空度<133×10-5Pa)；3. 真空外罩；4、5. 纏加熱絲，控溫精度高于0.01K；6. Pt-100電阻溫度計；7. 熱開關操縱桿；8. 熱開關冷源銅柱；9. 銅編織帶；10. 引線柱；11. 待測樣品；12、13. 輻射罩Fig.1 Schematic diagram of experiment setup

圖2 測試平臺及樣品粘貼示意圖Fig.2 Schematic diagram of fixed sample

2.2 比熱容測量原理及裝置

測量4J29可伐合金比熱容選用穩(wěn)態(tài)法。將試驗樣品棒置于絕熱低溫容器中，一端與穩(wěn)定熱源接觸，在一定時間產(chǎn)生的熱流以一定速率通過試樣棒，則試驗樣品的比熱容為：

(2)

式中：c為試驗樣品棒的比熱容，J/(kg·K)；Q為通過試驗樣品棒的熱流速率，W；t為測量時間，s；m為試驗樣品棒的質(zhì)量，kg；ΔT為加熱后試驗樣品棒產(chǎn)生的溫升，K。

穩(wěn)態(tài)法比熱容測量樣品一般較小，需要對系統(tǒng)熱量及溫度變化量進行精確控制。本次測量選用美國Quantum Design公司綜合物性測量系統(tǒng)儀(Physical Property Measurement System，PPMS)的比熱容測試模塊進行測量。PPMS內(nèi)環(huán)境模擬腔設置多層絕熱層，從內(nèi)到外依次設置外壁、多層絕熱材料、真空夾層、液氮層、液氦層及試驗腔體，同時，樣品放置在樣品腔內(nèi)專用臺座上，臺座由8根細絲固定，細絲同時兼顧溫度傳感器接線和加熱線功能，基本結構如圖3所示。通過以上方式，系統(tǒng)漏熱被控制在極低的范圍下，實現(xiàn)溫度的精確控制。PPMS系統(tǒng)冷源選用G-M型制冷機，實現(xiàn)恒溫系統(tǒng)的循環(huán)冷卻。

圖3 八爪型比熱樣品安裝托Fig.3 “Eight foot” type specific heat measurement sample puck

2.3 彈性模量測量原理及裝置

彈性模量是物體在彈性變形范圍內(nèi)(滿足“胡克定律”)，線應力與線應變的商，如式(3)：

(3)

式中：E為彈性模量，F(xiàn)/s為線應力，Pa；dL/L為線應變，Pa。

利用深圳某公司萬能實驗機進行低溫拉伸試驗，拉伸機基本結構如圖4所示[4]。根據(jù)4J29可伐合金材料變形量選用金屬引伸計作為位移測量裝置，并選用液氮恒溫筒維持低溫環(huán)境。

圖4 典型拉伸低溫容器示意圖及說明1. 力；2. 室溫支撐；3. 出氣孔；4. 真空-絕熱輸液管；5. 低溫支撐；6. 試樣；7. 引伸計；8. 真空-絕熱杜瓦；9. 杜瓦密封膠；10. 電引線座；11. 測力傳感器；12. 拉伸桿Fig.4 Schematic diagram and description of a typical low temperature stretcher

3 實驗結果及誤差分析

3.1 4J29可伐合金熱導率測量結果

為了驗證4J29可伐合金熱導率測試裝置的系統(tǒng)誤差，選用TC4鈦合金作標準參考材料，進行5—300 K溫區(qū)測試校驗。通過兩次TC4鈦合金熱導率測試，得到2組熱導率隨溫度變化的實驗數(shù)據(jù)。對2組數(shù)據(jù)取平均值，利用origin軟件畫出熱導率與溫度關系曲線圖，并對該曲線進行8次多項式擬合，得到77—300 K溫區(qū)TC4鈦合金熱導率隨溫度的變化關系式(4)，擬合曲線如圖5所示，擬合參數(shù)見表2。對

圖5 TC4鈦合金熱導率隨溫度的變化關系Fig.5 Curve fits of thermal conductivity of TC4

比美國數(shù)據(jù)庫[5]相關數(shù)據(jù)，證明本測量方法在77—300 K溫區(qū)測量誤差在9%以內(nèi)。

k=B0+B1T+B2T2+B3T3+B4T4+B5T5+

B6T6+B7T7+B8T8

(4)

表2 TC4鈦合金熱導率擬合公式參數(shù)

利用相同的測試方法和測試系統(tǒng)對4J29可伐合金的熱導率進行測量，材料采用了上海鋼鐵研究所生產(chǎn)的4J29可伐合金棒材，加工了3個測試樣品進行測試，得到3組77—300 K溫區(qū)4J29可伐合金熱導率測試結果。將3組實驗數(shù)據(jù)求平均處理以減少測試隨機性帶來的誤差，利用origin軟件畫出熱導率與溫度關系曲線圖，并經(jīng)8次多項式擬合后，獲得4J29可伐合金熱導率隨溫度變化關系的擬合式(5)，擬合曲線見圖6，擬合參數(shù)見表3。

k=B0+B1T+B2T2+B3T3+B4T4+

B5T5+B6T6+B7T7+B8T8

(5)

圖6 4J29可伐合金熱導率隨溫度的變化關系曲線Fig.6 Curve fits of thermal conductivity of Kovar 4J29

3.2 4J29可伐合金比熱容測量結果

4J29可伐合金比熱容測試選用PPMS系統(tǒng)進行

表3 4J29可伐合金熱導率擬合公式參數(shù)

測量，測量誤差能夠控制在5%以內(nèi)，典型值小于2%。選用TC4鈦合金作標準參考材料，進行2次5—300 K溫區(qū)比熱容測試校驗，由于PPMS控溫精度達到0.02%，因此可得到2組固定溫度點下比熱容隨溫度變化的實驗數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)求平均值，利用origin軟件畫出比熱容與溫度關系圖，并對該曲線進行8次多項式擬合，得到TC4比熱容隨溫度的變化關系式(6)，擬合曲線如圖7所示，擬合參數(shù)見表4。其中擬合公式適用范圍為20—300 K溫區(qū)，對比美國發(fā)表的相關數(shù)據(jù)[5]，證明本測量方法在75—300 K溫區(qū)測量誤差在6%以內(nèi)，最小誤差可達到0.2%。

k=B0+B1T+B2T2+B3T3+B4T4+B5T5+

B6T6+B7T7+B8T8(20 K≤T≤300 K)

(6)

圖7 TC4比熱容隨溫度的變化關系曲線Fig.7 Curve fits of specific heat of Kovar 4J29

利用相同的測試方法和測試系統(tǒng)，對同一4J29可伐合金棒材的3個樣品進行比熱容測量，取3次測量結果的平均值，利用origin軟件畫出比熱容與溫度關系曲線圖，并對該曲線進行8次多項式擬合，得出70—300 K溫區(qū)4J29可伐合金比熱容隨溫度的變化關系式(7)，擬合曲線如圖8所示，擬合參數(shù)見表5。

表4 TC4比熱容擬合公式參數(shù)(適用20—300 K)

k=B0+B1T+B2T2+B3T3+B4T4+B5T5+

B6T6+B7T7+B8T8

(7)

圖8 4J29可伐合金比熱容隨溫度的變化關系曲線Fig.8 Curve fits of specific heat of Kovar 4J29

表5 4J29可伐合金比熱容擬合公式參數(shù)

Table 5 Fitting formula parameters of Kovar 4J29 specific heat

擬合參數(shù)數(shù)值B0-7.70013×10-5B11.70705×10-6B23.72442×10-5B33.61342×10-7B4-1.04649×10-8B58.30724×10-11B6-3.20303×10-13B76.18143×10-16B8-4.78977×10-19

3.3 4J29可伐合金彈性模量測量結果

4J29可伐合金低溫彈性模量測試用“SANS”萬能實驗機及恒溫杜瓦裝置，測試出同一棒材材料不同樣品在77 K、150 K、220 K、300 K溫度的彈性模量值。選用了同種棒料加工12個樣品，一個溫度點對3個樣品測量，取3個樣品的測量平均值，得到圖9所示的彈性模量測試結果。實驗所選用金屬引伸計在低溫狀態(tài)下通過標準不銹鋼材料標定，誤差可控制在9%以內(nèi)，溫度測量選用銠鐵電阻及數(shù)字萬用表，溫度誤差控制在±0.01 K，滿足系統(tǒng)誤差范圍。

圖7 4J29可伐合金彈性模量隨溫度的變化關系Fig.7 Curve fits of elastic modulus of Kovar 4J29

4 結 論

4J29可伐合金在低溫區(qū)與常溫區(qū)具有不同的熱物性，其熱物性的改變對系統(tǒng)設計具有一定的影響，這一點已引起了研究人員的重視。本文用“穩(wěn)態(tài)縱向熱流法”測試了4J29可伐合金在77—300 K溫區(qū)的熱導率值，用“穩(wěn)態(tài)法”測試了4J29可伐合金在77—300 K溫區(qū)的比熱容，用彈性模量試驗機測試了77—300 K溫區(qū)的彈性模量系數(shù)，得到了4J29可伐合金在液氮至室溫區(qū)工程需要的熱物性參數(shù)及機械性能參數(shù)。熱物性測試表明，4J29可伐合金的比熱容和熱導率隨溫度的降低而降低，77 K溫區(qū)測量值均比常溫區(qū)測量值小3倍以上。力學彈性模量測試中，彈性模量值隨溫度的降低變化不大，大小趨勢出現(xiàn)隨機性。通過利用TC4鈦合金作標準參考材料對比及誤差分析，證明測量誤差在可接受范圍以內(nèi)，可以作為工程系統(tǒng)應用設計者的引用參考數(shù)據(jù)。

1 王以康. 4J29合金簡介[J]. 上海鋼研，1972(4)：1-2.

Wang Yikang. Brief introduction of 4J29 alloy[J]. Shanghai Steel&Iron Research，1972(4)：1-2.

2 中華人民共和國冶金工業(yè)部. YB/T5231-1993鐵鎳鈷玻封合金4J29和4J44技術條件[S]. 1993.

3 許雯，黃榮進. 固體材料低溫熱導率測試系統(tǒng)[J]. 低溫工程，2008(2)：32-36.

Xu Wen，Huang Rongjin. Thermal conductivity measuring system of solid materials at low temperature[J]. Cryogenics，2008(2)：32-36.

4 教曉冬. 輕質(zhì)合金的低溫物性研究[D].北京：中國科學院理化技術研究所，2006.

5 White G K，Meeson P. Experimental techniques in low-temperature physics(monographs on the physics and chemistry of materials)(59)[M]. New York：Oxford University Press，2002.

Measurements of cryogenic thermophysical properties and mechanical property for Kovar 4J29

Wen Jiajia1，2Zhang Tian1，2Lu Yan1

(1Shanghai Institute of Technical Physics，Chinese Academy of Science，Shanghai 200083，China) (2University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

The thermal conductivity，specific heat and elastic modulus of Kovar 4J29 at 77-300 K were tested for the thermal analysis and the structural mechanics analysis of the cryogenic optical system. The longitudinal heat flow method was used for the thermal conductivity measurement and the steady calorimetric technology was used for the specific heat measurement. Moreover，the elastic modulus was tested with the SANS elastic modulus tester. The curve fit results were presented and the error analysis was made by comparing measuring data with standard TC4 samples. The error for thermal conductivity was less than 9% and the others were less than 6%.

4J29；Kovar；low temperature；thermal conductivity；specific heat；elastic modulus

2016-04-12；

2016-06-28

文佳佳，女，26歲，博士研究生。

TB663

A

1000-6516(2016)06-0043-05