熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定能力驗(yàn)證樣品研究

董方旭，張霞，王從科，凡麗梅，趙付寶

（中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031）

0 前言

熱防護(hù)材料在武器裝備中發(fā)揮著重要作用，其熱傳導(dǎo)性能直接決定了坦克裝甲車輛的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力和彈箭武器的飛行穩(wěn)定性和打擊精度。如何將熱防護(hù)材料的熱傳導(dǎo)性能測(cè)試的更加準(zhǔn)確、可靠、一致對(duì)保證熱防護(hù)材料質(zhì)量可靠性起到很重要的作用。

導(dǎo)熱系數(shù)是指單位時(shí)間內(nèi)在單位梯度下沿?zé)崃鞣较蛲ㄟ^(guò)材料單位面積傳遞的熱量，是由材料的熱擴(kuò)散系數(shù)乘以其體積密度和比熱容得到的，指材料內(nèi)部溫度趨向均勻的能力。熱擴(kuò)散系數(shù)對(duì)于非穩(wěn)態(tài)熱流情況下的應(yīng)用設(shè)計(jì)、安全操作溫度的確定、過(guò)程控制及質(zhì)量保證是重要的參數(shù)。

本研究包括石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定能力驗(yàn)證樣品的制備（其中包括2mm 和3mm 厚兩個(gè)厚度的石墨片樣品組），以及對(duì)不同厚度的石墨片樣品組在室溫27℃、200℃、400℃、600℃和900℃五個(gè)溫度點(diǎn)下分別進(jìn)行均勻性與穩(wěn)定性檢驗(yàn)，通過(guò)本次研究可以為實(shí)驗(yàn)室提供均勻穩(wěn)定的熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定能力驗(yàn)證樣品。

1 儀器與樣品

1.1 儀器

德國(guó)耐馳儀器制造有限公司生產(chǎn)的激光導(dǎo)熱儀，型號(hào)NETZSCH LFA 457 MicroFlash?。

1.2 樣品

材料：石墨

規(guī)格數(shù)量：樣品分為兩種厚度，并采用A、B標(biāo)識(shí)；

A 樣品：Ф12.7mm×2mm（每組3 片），共100 組；

B 樣品：Ф12.7mm×3mm（每組3 片），共100 組；

包裝：每組樣品采用塑料袋密封包裝，并且分別編號(hào)。

2 方法

2.1 測(cè)試樣品制備

根據(jù)圖1 所示制備工藝，制備A、B 測(cè)試樣品。

圖1 樣品制備工藝Fig. 1 Sample preparation process

2.2 樣品的均勻性和穩(wěn)定性檢驗(yàn)

在每種分裝好的樣品中分別隨機(jī)抽取15 組用于均勻性檢驗(yàn)，按照GB/T 22588-2008《閃光法測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)》的要求分別對(duì)每組試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

穩(wěn)定性檢驗(yàn)是在距均勻性試驗(yàn)3 個(gè)月左右時(shí)間進(jìn)行，在樣品中隨機(jī)抽取6 組樣品按照均勻性的試驗(yàn)條件進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)。

3 結(jié)果與統(tǒng)計(jì)分析

3.1 測(cè)試樣品均勻性檢驗(yàn)結(jié)果

均勻性檢驗(yàn)的抽樣方案和抽樣數(shù)目依據(jù)CNASGL003：2018《能力驗(yàn)證樣品均勻性和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指南》的規(guī)定進(jìn)行，從每種分裝好的樣品中隨機(jī)抽取15 組。

均勻性檢驗(yàn)的具體試驗(yàn)條件見(jiàn)表1，樣品的檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表2～表11。

均勻性采用方差分析法判定。方差分析法就是將組間測(cè)量結(jié)果的方差與組內(nèi)測(cè)量結(jié)果的方差進(jìn)行比較，當(dāng)兩者之間無(wú)明顯差異，即兩者比值小于統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的臨界值時(shí)認(rèn)為樣品是均勻的，否則認(rèn)為樣品不均勻。具體步驟如下：

第i 個(gè)樣品的平均值按（1）式計(jì)算：

m 個(gè)樣品m×n 測(cè)量的平均值按（2）式計(jì)算：

組間平方和（Q1）和組內(nèi)平方和（Q2）分別按（3）和（4）式計(jì)算：

F 分布函數(shù)自由度（v1,v2）分別按式（5）和（6）計(jì)算：

式中：N—測(cè)試總次數(shù)。

統(tǒng)計(jì)量F 按（7）式計(jì)算：

根據(jù)自由度（v1,v2）和給定的顯著水平α（取顯著水平α=0.05），由F 分布函數(shù)表查得F0.05（14,30）=2.13。若按（7）式算出的F 值小于F0.05，則認(rèn)為該樣品的均勻性合格；若F ≥F0.05，則認(rèn)為該樣品的均勻性不合格。

表1 均勻性檢測(cè)條件Table 1 Uniformity detection conditions

表2 2mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)均勻性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（27℃）單位：10-4m2/sTable 2 Test result and statistical analysis results for uniformity of thermal diffusion coefficient of 2mm thick graphite sheet (27℃) Unit: 10-4m2/s

圖2 所示為TiC/C 功能梯度材料的真空出氣性能，從圖中可以看出：該材料釋放的氣體也為H2、H2O、CO、CO2，但四種氣體的總出氣量隨溫度變化的波動(dòng)較小。這主要是由于該材料內(nèi)部過(guò)渡層的存在使最外層TiC 與基體之間的熱膨脹失配得到了有效地緩解，在溫度變化的過(guò)程中，TiC 和基體之間的界面熱應(yīng)力逐漸降低，從而減緩了材料在應(yīng)力作用下的變形量和缺陷（如裂紋、孔洞）的形成。

表3 2mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)均勻性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（200℃）單位：10-4m2/sTable 3 Test result and statistical analysis results for uniformity of thermal diffusion coefficient of 2mm thick graphite sheet (200℃) Unit: 10-4m2/s

表4 2mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)均勻性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（400℃）單位：10-4m2/sTable 4 Test result and statistical analysis results for uniformity of thermal diffusion coefficient of 2mm thick graphite sheet (400℃) Unit: 10-4m2/s

表5 2mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)均勻性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（600℃）單位：10-4m2/sTable 5 Test result and statistical analysis results for uniformity of thermal diffusion coefficient of 2mm thick graphite sheet (600℃) Unit: 10-4m2/s

表6 2mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)均勻性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（900℃）單位：10-4m2/sTable 6 Test result and statistical analysis results for uniformity of thermal diffusion coefficient of 2mm thick graphite sheet (900℃) Unit: 10-4m2/s

表7 3mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)均勻性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（27℃）單位：10-4m2/sTable 7 Test result and statistical analysis results for uniformity of thermal diffusion coefficient of 3mm thick graphite sheet (27℃) Unit: 10-4m2/s

表8 3mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)均勻性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（200℃）單位：10-4m2/sTable 8 Test result and statistical analysis results for uniformity of thermal diffusion coefficient of 3mm thick graphite sheet (200℃) Unit: 10-4m2/s

表9 3mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)均勻性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（400℃）單位：10-4m2/sTable 9 Test result and statistical analysis results for uniformity of thermal diffusion coefficient of 3mm thick graphite sheet (400℃) Unit: 10-4m2/s

?

表10 3mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)均勻性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（600℃）單位：10-4m2/sTable 10 Test result and statistical analysis results for uniformity of thermal diffusion coefficient of 3mm thick graphite sheet (600℃) Unit: 10-4m2/s

表11 3mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)均勻性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（900℃）單位：10-4m2/sTable 11 Test result and statistical analysis results for uniformity of thermal diffusion coefficient of 3mm thick graphite sheet (900℃) Unit: 10-4m2/s

從表2～表11 可以看出，2mm 及3mm 厚石墨片各15 組樣品在五個(gè)不同溫度點(diǎn)下的檢測(cè)結(jié)果的F 值都小于F0.05（9,20），說(shuō)明樣品不均勻度對(duì)結(jié)果判定的影響可以忽略不計(jì)，樣品是均勻的，能夠滿足對(duì)能力驗(yàn)證樣品的要求。

3.2 測(cè)試樣品穩(wěn)定性檢驗(yàn)結(jié)果

穩(wěn)定性檢驗(yàn)的抽樣方案和抽樣數(shù)目依據(jù)CNASGL003：2018《能力驗(yàn)證樣品均勻性和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指南》的規(guī)定進(jìn)行。在距均勻性檢驗(yàn)三個(gè)月的時(shí)間，從制備樣品庫(kù)中隨機(jī)抽取6 組樣品，采用與均勻性檢驗(yàn)相同的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，穩(wěn)定性檢驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表12～表21。

用t 法中的考察兩個(gè)平均值之間的一致性的方法進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)。按下式計(jì)算t 值：

—第一次檢驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差的平方；

22s—第二次檢驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差的平方；

n1—第一次檢驗(yàn)測(cè)量的測(cè)量次數(shù)；

n2—第二次檢驗(yàn)測(cè)量的測(cè)量次數(shù)。

注：為了保證平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的準(zhǔn)確度，n1和n2均≥6。

若t ＜顯著性水平α（ 通常取顯著水平α=0.05）自由度為n1+n2-2 的臨界值，ta（n1+n2-2）則認(rèn)為兩次測(cè)量結(jié)果的平均值之間無(wú)顯著性差異，樣品是穩(wěn)定性的；否則認(rèn)為該樣品不穩(wěn)定。

表12 2mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)穩(wěn)定性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（27℃）單位：10-4m2/sTable 11 Test result and statistical analysis results for stability of thermal diffusion coefficient of 3mm thick graphite sheet (27℃) Unit: 10-4m2/s

表13 2mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)穩(wěn)定性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（200℃）單位：10-4m2/sTable 13 Test result and statistical analysis results for stability of thermal diffusion coefficient of 3mm thick graphite sheet (200℃) Unit: 10-4m2/s

表14 2mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)穩(wěn)定性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（400℃）單位：10-4m2/sTable 14 Test result and statistical analysis results for stability of thermal diffusion coefficient of 3mm thick graphite sheet (400℃) Unit: 10-4m2/s

表15 2mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)穩(wěn)定性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（600℃）單位：10-4m2/sTable 15 Test result and statistical analysis results for stability of thermal diffusion coefficient of 3mm thick graphite sheet (600℃) Unit: 10-4m2/s

表16 2mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)穩(wěn)定性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（900℃）單位：10-4m2/sTable 16 Test result and statistical analysis results for stability of thermal diffusion coefficient of 3mm thick graphite sheet (900℃) Unit: 10-4m2/s

表17 3mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)穩(wěn)定性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（27℃）單位：10-4m2/sTable 17 Test result and statistical analysis results for stability of thermal diffusion coefficient of 3mm thick graphite sheet (27℃) Unit: 10-4m2/s

表18 3mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)穩(wěn)定性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（200℃）單位：10-4m2/sTable 18 Test result and statistical analysis results for stability of thermal diffusion coefficient of 3mm thick graphite sheet (200℃) Unit: 10-4m2/s

表19 3mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)穩(wěn)定性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（400℃）單位：10-4m2/sTable 19 Test result and statistical analysis results for stability of thermal diffusion coefficient of 3mm thick graphite sheet (400℃) Unit: 10-4m2/s

表20 3mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)穩(wěn)定性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（600℃）單位：10-4m2/sTable 20 Test result and statistical analysis results for stability of thermal diffusion coefficient of 3mm thick graphite sheet (600℃) Unit: 10-4m2/s

表21 3mm厚石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)穩(wěn)定性檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（900℃）單位：10-4m2/sTable 21 Test result and statistical analysis results for stability of thermal diffusion coefficient of 3mm thick graphite sheet (900℃) Unit: 10-4m2/s

從 表12～表21 可 以 看 出，2mm 和3mm 厚 度石墨片樣品在不同溫度點(diǎn)下的檢測(cè)結(jié)果t 值都小于t0.05(19)，因此樣品在3 個(gè)月之內(nèi)是穩(wěn)定的。

4 結(jié)論

本次石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定能力驗(yàn)證樣品研究包括了能力驗(yàn)證樣品的制備、均勻性檢驗(yàn)，三個(gè)月后又進(jìn)行了穩(wěn)定性檢驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，我們制備的不同厚度樣品在不同的溫度點(diǎn)下均符合要求的能力驗(yàn)證樣品，該樣品可以用于驗(yàn)證各實(shí)驗(yàn)室熱擴(kuò)散系數(shù)檢測(cè)能力，可以為各實(shí)驗(yàn)室提供一個(gè)評(píng)估和證明其出具數(shù)據(jù)可靠性的客觀手段?？梢钥陀^準(zhǔn)確地反映我國(guó)各單位熱擴(kuò)散系數(shù)的檢測(cè)水平，對(duì)提高各實(shí)驗(yàn)室石墨片熱擴(kuò)散系數(shù)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性起到了促進(jìn)作用。