热扩散系数的测定能力验证样品研究

董方旭，张霞，王从科，凡丽梅，赵付宝

（中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031）

0 前言

热防护材料在武器装备中发挥着重要作用，其热传导性能直接决定了坦克装甲车辆的战场生存能力和弹箭武器的飞行稳定性和打击精度。如何将热防护材料的热传导性能测试的更加准确、可靠、一致对保证热防护材料质量可靠性起到很重要的作用。

导热系数是指单位时间内在单位梯度下沿热流方向通过材料单位面积传递的热量，是由材料的热扩散系数乘以其体积密度和比热容得到的，指材料内部温度趋向均匀的能力。热扩散系数对于非稳态热流情况下的应用设计、安全操作温度的确定、过程控制及质量保证是重要的参数。

本研究包括石墨片热扩散系数的测定能力验证样品的制备（其中包括2mm 和3mm 厚两个厚度的石墨片样品组），以及对不同厚度的石墨片样品组在室温27℃、200℃、400℃、600℃和900℃五个温度点下分别进行均匀性与稳定性检验，通过本次研究可以为实验室提供均匀稳定的热扩散系数的测定能力验证样品。

1 仪器与样品

1.1 仪器

德国耐驰仪器制造有限公司生产的激光导热仪，型号NETZSCH LFA 457 MicroFlash®。

1.2 样品

材料：石墨

规格数量：样品分为两种厚度，并采用A、B标识；

A 样品：Ф12.7mm×2mm（每组3 片），共100 组；

B 样品：Ф12.7mm×3mm（每组3 片），共100 组；

包装：每组样品采用塑料袋密封包装，并且分别编号。

2 方法

2.1 测试样品制备

根据图1 所示制备工艺，制备A、B 测试样品。

图1 样品制备工艺Fig. 1 Sample preparation process

2.2 样品的均匀性和稳定性检验

在每种分装好的样品中分别随机抽取15 组用于均匀性检验，按照GB/T 22588-2008《闪光法测量热扩散系数或导热系数》的要求分别对每组试样进行试验。

稳定性检验是在距均匀性试验3 个月左右时间进行，在样品中随机抽取6 组样品按照均匀性的试验条件进行稳定性试验。

3 结果与统计分析

3.1 测试样品均匀性检验结果

均匀性检验的抽样方案和抽样数目依据CNASGL003：2018《能力验证样品均匀性和稳定性评价指南》的规定进行，从每种分装好的样品中随机抽取15 组。

均匀性检验的具体试验条件见表1，样品的检测结果和统计分析结果见表2～表11。

均匀性采用方差分析法判定。方差分析法就是将组间测量结果的方差与组内测量结果的方差进行比较，当两者之间无明显差异，即两者比值小于统计检验的临界值时认为样品是均匀的，否则认为样品不均匀。具体步骤如下：

第i 个样品的平均值按（1）式计算：

m 个样品m×n 测量的平均值按（2）式计算：

组间平方和（Q1）和组内平方和（Q2）分别按（3）和（4）式计算：

F 分布函数自由度（v1,v2）分别按式（5）和（6）计算：

式中：N—测试总次数。

统计量F 按（7）式计算：

根据自由度（v1,v2）和给定的显著水平α（取显著水平α=0.05），由F 分布函数表查得F0.05（14,30）=2.13。若按（7）式算出的F 值小于F0.05，则认为该样品的均匀性合格；若F ≥F0.05，则认为该样品的均匀性不合格。

表1 均匀性检测条件Table 1 Uniformity detection conditions

表2 2mm厚石墨片热扩散系数均匀性检验检测结果和统计分析结果（27℃）单位：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

图2 所示为TiC/C 功能梯度材料的真空出气性能，从图中可以看出：该材料释放的气体也为H2、H2O、CO、CO2，但四种气体的总出气量随温度变化的波动较小。这主要是由于该材料内部过渡层的存在使最外层TiC 与基体之间的热膨胀失配得到了有效地缓解，在温度变化的过程中，TiC 和基体之间的界面热应力逐渐降低，从而减缓了材料在应力作用下的变形量和缺陷（如裂纹、孔洞）的形成。

表3 2mm厚石墨片热扩散系数均匀性检验检测结果和统计分析结果（200℃）单位：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厚石墨片热扩散系数均匀性检验检测结果和统计分析结果（400℃）单位：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厚石墨片热扩散系数均匀性检验检测结果和统计分析结果（600℃）单位：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厚石墨片热扩散系数均匀性检验检测结果和统计分析结果（900℃）单位：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厚石墨片热扩散系数均匀性检验检测结果和统计分析结果（27℃）单位：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厚石墨片热扩散系数均匀性检验检测结果和统计分析结果（200℃）单位：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厚石墨片热扩散系数均匀性检验检测结果和统计分析结果（400℃）单位：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

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表10 3mm厚石墨片热扩散系数均匀性检验检测结果和统计分析结果（600℃）单位：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厚石墨片热扩散系数均匀性检验检测结果和统计分析结果（900℃）单位：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

从表2～表11 可以看出，2mm 及3mm 厚石墨片各15 组样品在五个不同温度点下的检测结果的F 值都小于F0.05（9,20），说明样品不均匀度对结果判定的影响可以忽略不计，样品是均匀的，能够满足对能力验证样品的要求。

3.2 测试样品稳定性检验结果

稳定性检验的抽样方案和抽样数目依据CNASGL003：2018《能力验证样品均匀性和稳定性评价指南》的规定进行。在距均匀性检验三个月的时间，从制备样品库中随机抽取6 组样品，采用与均匀性检验相同的测试方法进行测试，稳定性检验的检测结果和统计分析结果见表12～表21。

用t 法中的考察两个平均值之间的一致性的方法进行稳定性检验。按下式计算t 值：

—第一次检验测量数据的标准偏差的平方；

22s—第二次检验测量数据的标准偏差的平方；

n1—第一次检验测量的测量次数；

n2—第二次检验测量的测量次数。

注：为了保证平均值和标准偏差的准确度，n1和n2均≥6。

若t ＜显著性水平α（ 通常取显著水平α=0.05）自由度为n1+n2-2 的临界值，ta（n1+n2-2）则认为两次测量结果的平均值之间无显著性差异，样品是稳定性的；否则认为该样品不稳定。

表12 2mm厚石墨片热扩散系数稳定性检验检测结果和统计分析结果（27℃）单位：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厚石墨片热扩散系数稳定性检验检测结果和统计分析结果（200℃）单位：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厚石墨片热扩散系数稳定性检验检测结果和统计分析结果（400℃）单位：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厚石墨片热扩散系数稳定性检验检测结果和统计分析结果（600℃）单位：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厚石墨片热扩散系数稳定性检验检测结果和统计分析结果（900℃）单位：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厚石墨片热扩散系数稳定性检验检测结果和统计分析结果（27℃）单位：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厚石墨片热扩散系数稳定性检验检测结果和统计分析结果（200℃）单位：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厚石墨片热扩散系数稳定性检验检测结果和统计分析结果（400℃）单位：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厚石墨片热扩散系数稳定性检验检测结果和统计分析结果（600℃）单位：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厚石墨片热扩散系数稳定性检验检测结果和统计分析结果（900℃）单位：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

从 表12～表21 可 以 看 出，2mm 和3mm 厚 度石墨片样品在不同温度点下的检测结果t 值都小于t0.05(19)，因此样品在3 个月之内是稳定的。

4 结论

本次石墨片热扩散系数测定能力验证样品研究包括了能力验证样品的制备、均匀性检验，三个月后又进行了稳定性检验。通过试验，我们制备的不同厚度样品在不同的温度点下均符合要求的能力验证样品，该样品可以用于验证各实验室热扩散系数检测能力，可以为各实验室提供一个评估和证明其出具数据可靠性的客观手段。可以客观准确地反映我国各单位热扩散系数的检测水平，对提高各实验室石墨片热扩散系数检测的准确性和可靠性起到了促进作用。