CSTM-碳纤维高温轴向热扩散率试验方法-激光脉冲法编制说明

中国材料与试验团体标准《碳纤维高温轴向热扩散率试验方法—激光脉冲法》T/CSTM00xxx-2019编制说明（征求意见稿）《碳纤维高温轴向热扩散率试验方法—激光脉冲法》团体标准制订工作小组二〇一九年十一月

一、任务来源中国材料与试验团体标准T/CSTM00xxx-2019《碳纤维高温轴向热扩散率试验方法—激光脉冲法》（以下简称为本标准），根据中国材料与试验团体标准委员会材试标字[2019]154号文件《关于CSTM标准<碳纤维高温轴向热扩散率试验方法—激光脉冲法>的立项公告》，由中国材料与试验团体标准委员会复合材料领域委员会提出，由航天材料及工艺研究所负责牵头编制。计划起止时间2019年9月27日至2020年4月27日，标准计划编号CSTMLX090000250-2019。本标准由中国材料与试验团体标准委员会复合材料领域委员会组织策划，航天材料及工艺研究所承担标准主编工作。本标准规定了碳纤维高温轴向热扩散率试验方法—激光脉冲法的范围、规范性引用文件、原理、仪器、试样及制备、校验、试样程序、数据处理、精密度和试验报告等内容。二、工作的简要过程2.1调研和分析工作的情况作为烧蚀防热、热结构和常规结构复合材料等先进结构、功能材料的关键增强体，碳纤维的服役温度覆盖室温至2000℃以上的宽广温区。服役温度下碳纤维的轴向热扩散率是影响材料热响应行为的重要参量，它反映了温度变化在复合材料中沿纤维增强体路径传导的快慢程度，对于材料防热效率、隔热能力等宏观性能影响显著。针对中低热流、大总加热量、长时服役的临近空间新应用环境，碳纤维增强防热复合材料、热结构复合材料产品的设计、应用单位对于准确、稳定的碳纤维高温轴向热扩散率数据具有明确需求，该数据是开展防热材料烧蚀行为数值模拟和防热结构设计的必要输入信息，对于飞行器可靠防热和减重增程具有价值。此外，碳纤维的轴向热扩散率与纤维含碳量、结构缺陷等指标联系密切，碳纤维热扩散率数据的稳定性也是表征不同生产单位、不同批次间产品一致性的有效手段，在碳纤维材料的质量控制方面具有指导意义。可见，碳纤维材料的科研、生产、应用单位以及碳纤维复合材料产品的设计单位对于其高温轴向热扩散率的科学统一测试方法和准确稳定测试数据具有广泛的需求。目前绝大多数的热扩散率数据由激光脉冲法原理测量获得，该方法于1961年由Parker等学者提出，由于具有试样小、测量占用时间短、温度范围宽、准确度高等一系列优点，得到广泛重视和快速发展，并成为世界各国应用最多的热扩散率测量方法。采用激光脉冲法原理开展碳纤维高温轴向热扩散率测试具备科学性、可靠性。在编制本标准征求意见稿期间，编制组成员调研了国内外有关测试标准、国内外主要设备仪器厂家的产品技术性能、国内外与激光脉冲法相关的论文及论著等,并结合国内军品型号研制和生产中固体材料高温热扩散率试验技术的发展水平和需求，对该标准相关内容进行修订。主要调研情况汇总如下：目前国内外高温热扩散率测试标准主要包括美国ASTME1461《Standardtestmethodforthermaldiffusivitybytheflashmethod》、国家标准GB/T22588《闪光法测量热扩散系数或导热系数》、国家军用标准GJB1201.1《固体材料高温热扩散率试验方法——激光脉冲法》三项。其中美国ASTME1461标准是一种在较宽范围内普遍适用的测试标准，为同时满足军用和民用的需要，该标准在近年来通过修订，其适用的材料和温度范围不断扩展。在其2013年版本中，热扩散率适用范围达到1×10-7m2/s~1×10-3m2/s，跨越四个数量级，涵盖纳米超级隔热材料至高导热复合材料的热扩散率区间，温度适用范围达到75K~2800K，覆盖液氮温区至超高温服役工况。我国现行国家标准GB/T22588是美国ASTME1461标准的翻译版本，与其基本等效。我国现行国家军用标准GJB1201.1首次发布于1991年，为满足我国武器装备新材料、新服役环境对测试技术提出的新要求，航天材料及工艺研究所于2016年完成了对该标准的修订。在修订版本中，根据军用关键材料研制和应用的具体需要，将热扩散率适用范围拓展至2.0×10-7m2/s~4.0×10-4m2/s，测试温度上限拓展至3070K，并对修订标准与原军标、现行国标的一致性、兼容性进行了严格验证。然而，上述三项标准均规定了其适用范围为均质、或在测试方向上可视为均质的块状固体材料，与丝状碳纤维测试的实际情况相比具有较大差异，差异性主要体现在制样方法和热损失修正方法两方面。在制样方法方面，现行标准针对块状固体材料规定了试样形式为薄圆片状，并给出了试样厚度估算方法。相比于块状固体材料，丝状碳纤维测试需要进一步明确制样工艺，涉及样品环设计、纤维集束方法、套环制样工艺、洗胶干燥工艺等具体问题，而现行标准均未涉及上述内容。在热损失修正方法方面，现行标准规定了Parker计算模型、Cowan计算模型、Clark&Taylor计算模型三种热损失修正方法，目前已有大量文献证实上述方法适用于块状固体材料。然而，在激光脉冲能量沿碳纤维试样轴向传播过程中会发生纤维与纤维间隙中气体分子的对流换热热损，碳纤维试样具有区别于块状固体材料的独特热损失机制，而现行标准均未对碳纤维热损失修正方法进行规范。上述分析表明，现行块状固体材料热扩散率测试标准无法对碳纤维材料测试起到足够的规范、指导作用，碳纤维高温轴向热扩散率测试工作面临各单位间方法和数据离散、无统一标准可依的问题。目前，北京航空航天大学、北京化工大学、航天材料及工艺研究所、陕西天测新材料科技有限公司等已应用激光脉冲法开展了碳纤维轴向热扩散率的试验测试工作。但受限于现行均质固体材料热扩散率测试标准无法对碳纤维材料测试起到足够的规范、指导作用，不同单位在测试各环节具体方法不统一，测试结果可比对性较弱。本标准在修订过程中遵循以下原则：a)适用性。本修订标准在充分考虑当前材料热扩散率测试装置应用情况的基础上，将适用的热扩散率测试范围设定为1.0×10-6~4.0×10-4m2/s，温度范围设定为293K~2273K。本修订标准能够极大兼容现有热扩散率测试装置并充分满足碳纤维材料测试需求，标准修订完成后能够为提升我国碳纤维热扩散性能测试质量奠定基础。b)协调性。本标准的编制格式、包含内容及相关要求均符合现行基础标准的有关条款，标准中涉及的设备、程序等有关参数及要求与相关标准的技术要求具有协调性。c)统一性。在本标准中，文体、术语、符号和代号统一，并且术语、符号和代号均与现行相关标准保持一致，同一概念使用相同的术语进行表述，具有统一性。2.2编制阶段2.2.1征求意见稿编制阶段本标准编制组对原标准内容进行分析，以网络、资料查询等方式查阅了国内外相关测试标准及相关资料，并以邮件、电话咨询等方式对激光脉冲法测量材料热扩散率的相关单位进行了广泛的调研。在此基础上还进行了典型材料的验证性试验与结果的分析与总结，确定了标准编写、修订的主要内容，最终形成标准征求意见稿。三、采用国际标准和国外先进标准的情况本标准修订后延续了GJB1201.1中的主要内容，在试验设备、试样要求、试验程序和数据处理方法等进行了适时性修订，修订后的内容参考了ASTME1461-2013中的相关条款，特别是数据处理方法与ASTME1461-2007基本等效。因此，修订后的测试标准与国外先进标准保持同步。四、确定标准重要内容的依据4.1范围根据碳纤维材料测试需要，本标准将将适用的热扩散率测试范围设定为1.0×10-6~4.0×10-4m2/s，温度范围设定为293K~2273K。.4.2术语和定义该部分内容给出了热导率的定义，并为了与GB/T22588-2008的名词术语具有兼容性，明确说明了“热导率”与“导热系数”的定义相同，“热扩散率”与“热扩散系数”的定义相同。修订标准沿用原标准中的“热导率”和“热扩散率”这两个名词术语，主要考虑到“热导率”和“热扩散率”名词术语已在很多军品型号中的产品技术条件中使用，更改为“导热系数”和“热扩散系数”将导致连锁反应，影响面较大。4.3测试设备该部分内容介绍激光脉冲法测试设备的基本要求。4.4试样本标准参照GB/T22588-2008的试样尺寸要求，将试样直径范围扩大至8mm～18mm。试样厚度应根据试样的预估热扩散率选取确定，可按公式（1）计算：………………（1）式中：τc——特征温度传播时间，s；δ——试样厚度，mm；π——圆周率，无量纲；α1——被测试样的估计热扩散率，m2/s。若被测试样的预估热扩散率为2×10-4m2/s，特征温度传播时间取最小值15ms，依据公式（1），计算得试样厚度为5.4mm；若被测试样的热扩散率为4×10-4m2/s，则计算得试样厚度为7.7mm。因此，原标准规定的试样厚度（1mm～3mm）明显偏小，因此修订标准将试样厚度调整为1mm～6mm，关于厚度的合理性验证将在5.2节进行详细说明。4.5校验本标准为体现兼容性，增加了高温校准标样，如石墨类标样。但由于石墨标样与其石墨原子结构排列的有序度及杂质成分密切相关，即使取自同一炉和同一板材的石墨试样，不同部位的热扩散率也会有所差别，因此修订标准对石墨标样的热扩散率标准数据不做规定和推荐。此外，修订标准还推荐了另一种间接的校准方法，即选用有代表性的成熟材料，制备满足本说明4.4节要求的不同厚度试样，测试结果应在±5%的误差范围内。4.6试验程序（修订）试验程序与测试设备的要求相对应，现标准由于对测试设备进行了调整，因此对应的试验程序也需要进行相应的修订。为兼顾普遍适用性和先进性，修订标准只规定了试验程序的通用性要求，并与GB/T22588-2008基本保持一致。4.7数据处理（修订）标准增加了理想模型下测试数据的有效性判定，以确定是否存在有限脉冲时间、辐射热损失或者不均匀加热等效应，再根据判定结果进行相应修正。在理想模型有效性判据及修正算法方面，目前国家标准GB/T22588-2008与美国ASTME1461-2013所规定的内容一致。此外，目前各主要厂家提供的激光脉冲法测试装置的数据处理也基本采用ASTME1461-2013标准规定的方法进行。因此，为兼顾修订标准的先进性和普适性，修订标准的数据处理方法引用了国家标准GB/T22588-2008的相关内容。五、主要试验或验证分析报告的说明本标准修订工作主要围绕适用范围、测试设备、试样、试验程序和数据处理等内容展开。为说明本测试标准主要修订内容的适用性，重点进行了适用范围、试样尺寸和数据处理方法的验证工作。5.1适用范围的验证最高测试温度与设备仪器性能和被测材料的高温稳定性高度相关，为考核修订标准适用温度范围的有效性，标准编制组对某石墨材料进行了6次373K~3073K热扩散率测试，测试结果如图1所示。测试结果表明，全温度范围内样本标准差不大于2%，可见修订后的测试标准将测试温度上限提高至2273K是合理和适宜的。图1某石墨材料6次373K~3070K热扩散率测试结果为考核修订标准规定的热扩散率测试范围的有效性，标准编制组采用修订后标准，对某高导热碳纤维开展了热扩散率测试，测试结果如表1所示。测试数据表明，高导热碳纤维的最高热扩散率测量值达4.3×10-4m2/s，可见修订标准将热扩散率测试上限设置为4.0×10-4m2/s是适宜的和可行的。同样，只要被测试样满足修订标准相关章节的要求，也可以实现修订标准所规定的1×10-6m2/s的热导率下限测试。表1某高导热碳纤维不同温度下热扩散率测试结果温度（K）热扩散率测试值（m2/s）第一组（试样厚度：5.80mm）第二组（试样厚度：5.56mm）2984.3×10-44.1×10-43733.2×10-43.0×10-44732.3×10-42.2×10-45731.7×10-41.7×10-45.2试样尺寸的验证修订后的测试标准将原标准的试样厚度范围由1mm～3mm扩大至1mm～6mm，这主要是为了考虑高导热碳纤维材料的测试需要。确定合适的试样厚度，一方面需要依据公式（1），另一方面还需考虑所用设备仪器的脉冲功率、脉宽大小、采样频率、试样架与样品的耦合情况及热扩散率随温度、压力变化规律等情况。对于表1所示的高导热碳纤维，依据公式（1），热扩散率如按4×10-4m2/s估算，试样厚度应取7mm～8mm，考虑到该纤维的热扩散随温度升高快速下降，因此将试样厚度改为6mm以下。再例如，某POCO石墨，室温热扩散率大约1×10-4m2/s，试样厚度应取3mm～4mm。为验证试样厚度选取的正确性，标准编制组在同一块母料上，制备了厚度分别为2.5mm、3mm、3.5mm和4mm的四种试样，并进行了热扩散率测试，测试结果如表2所示。由表2可见，在室温环境下，厚度较薄试样的热扩散率测试结果明显偏低，而厚度为3mm～4mm试样的测试结果在误差范围内；当温度升高至773K以上后，由于材料热扩散率迅速降低至室温环境的四分之一以下，因此厚度较薄的试样的测试结果与其它三个试样相当。综上可见，对试样厚度进行准确估算和正确选择对于获得准确的测试结果具有重要影响，原标准将试样厚度范围限定在1mm～3mm具有明显缺陷，修订测试标准将原标准的试样厚度范围由1mm～3mm扩大至1mm～6mm具有正确性和适用性。表2某POCO石墨不同厚度试样不同温度下热扩散率测试结果温度（K）热扩散率测试值（m2/s）试样厚度0.267mm试样厚度0.313mm试样厚度0.360mm试样厚度0.413mm2980.99×10-41.32×10-41.30×10-41.28×10-47730.33×10-40.35×10-40.36×10-40.36×10-412730.20×10-40.21×10-40.21×10-40.21×10-417730.15×10-40.15×10-40.16×10-40.16×10-45.3数据处理的验证数据处理方法的修订应体现与原标准的兼容性，在同时满足原标准及新标准的前提条件下，测试结果应在误差范围内。以表2的某POCO石墨样为例，当温度大于773K时，新旧标准获得的测试结果相当，如图2所示，可见新旧标准具备兼容性。图2新修订标准与原标准高温热扩散率测试结果比对六、重大分歧意见的解决过程和结果无。七、与现行的法律、法规及国家标准、国家军用标准、行业标准的关系7.1与国外标准关系国外同类型标准以美国ASTME1461