分享：涂層材料熱傳導(dǎo)性能測試標(biāo)準(zhǔn)比較

出于經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的考慮,核電站的長期運(yùn)行已成為全球趨勢。中國自主研發(fā)的三代核電機(jī)組“華龍一號”設(shè)計(jì)壽命達(dá)60 a,遠(yuǎn)超一般風(fēng)電機(jī)組20 a和光伏組件30 a的設(shè)計(jì)壽命[1]。在全球范圍內(nèi),日本已將多座核電站壽命延長至60 a[2],而美國核管會（NRC）通過了核電站二次延續(xù)運(yùn)行的審批,將Surry 1號、2號和Turkey Point 3號、4號等機(jī)組的許可證延長至80 a[3]。長期運(yùn)行計(jì)劃對核電材料和設(shè)備的安全性能提出了更高的要求,因此,必須對相關(guān)材料進(jìn)行精確的性能評估與鑒定,這項(xiàng)工作依賴于標(biāo)準(zhǔn)化的測試方法。 

涂料廣泛應(yīng)用于中國大型先進(jìn)壓水堆核電站中,并分為常規(guī)涂料和專用涂料。應(yīng)用于非輻射控制區(qū)常規(guī)涂料的技術(shù)要求與其他工業(yè)領(lǐng)域類似,而用于輻射控制區(qū)及安全殼內(nèi)的專用涂料除了具備防腐蝕和裝飾功能外,還須承受輻射、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故以及嚴(yán)重事故等特殊環(huán)境條件[4]。因此,在涂層施工前,核電涂料須通過一系列嚴(yán)格檢驗(yàn),包括熱傳導(dǎo)率測試、火焰延燒性試驗(yàn)、附著力測試等。這些檢驗(yàn)通常依據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)。 

相比ISO和ASTM等著名標(biāo)準(zhǔn)組織,中國的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）起步較晚,但經(jīng)過多年的發(fā)展,現(xiàn)已有超過4.4萬項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)。在材料領(lǐng)域,GB標(biāo)準(zhǔn)大量采納了ISO或IEC標(biāo)準(zhǔn),但對ASTM標(biāo)準(zhǔn)的采標(biāo)較少,這在某種程度上增加了ASTM標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的難度。分析和比較中國標(biāo)準(zhǔn)與國際主流標(biāo)準(zhǔn)有助于了解標(biāo)準(zhǔn)體系的現(xiàn)狀及發(fā)展方向。文獻(xiàn)[5]對中國輻射處理行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)進(jìn)行了初步比較,并與國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比。XU等[6]比較了中國、歐洲和ISO關(guān)于外墻保溫復(fù)合系統(tǒng)的代表性標(biāo)準(zhǔn),深入分析了不同標(biāo)準(zhǔn)體系在結(jié)構(gòu)、范圍和性能要求等方面的差異,并對該領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化提出了建議。具體到涂料領(lǐng)域,王龍[7]通過對GB標(biāo)準(zhǔn)與國際主流標(biāo)準(zhǔn)的深入比較,指出了中國建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料標(biāo)準(zhǔn)的不足,如涂層厚度的單一性。趙子玲等[8]總結(jié)了中國建筑涂料標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀與問題,指出了采標(biāo)率低的問題,并對建筑涂料標(biāo)準(zhǔn)的國際化和行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提出了建議。於杰等[9]分類介紹了中國涂料測試標(biāo)準(zhǔn)及其與ISO標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián),涉及涂料的液態(tài)性能、施工性能、光學(xué)性能、力學(xué)性能及耐化學(xué)性能等方面。然而,這些研究主要集中于標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的直接解讀,尚未涉及試驗(yàn)驗(yàn)證,而試驗(yàn)驗(yàn)證有助于更深入地理解標(biāo)準(zhǔn)細(xì)節(jié),并為標(biāo)準(zhǔn)間的可替代性提供直接依據(jù)。此外,熱傳導(dǎo)率作為涂層的重要性能指標(biāo),反映了涂層的隔熱性能,其準(zhǔn)確測量對于涂層應(yīng)用意義重大。然而,目前涂層的熱傳導(dǎo)率測試仍然缺乏專用標(biāo)準(zhǔn),通常依賴通用標(biāo)準(zhǔn),相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的分析和比對工作亟待加強(qiáng)。 

基于此,筆者對可用于核電涂層熱傳導(dǎo)率測試的GB標(biāo)準(zhǔn)與ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析和比較,介紹了不同標(biāo)準(zhǔn)的基本程序及其差異。隨后選取了兩種典型的核電涂層材料,測試了熱傳導(dǎo)率,從試驗(yàn)流程和結(jié)果方面進(jìn)一步評估了不同標(biāo)準(zhǔn)之間的可替代性,并提出了相應(yīng)建議。研究成果可為核電涂層的標(biāo)準(zhǔn)化鑒定提供依據(jù),對涂料體系的標(biāo)準(zhǔn)化測試有一定參考價(jià)值。 

1.   試驗(yàn)原理及試驗(yàn)裝置

GB/T 10295—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 熱流計(jì)法》與ASTM E1530《用保護(hù)的熱流計(jì)技術(shù)評定材料耐傳熱性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》均采用熱流計(jì)法測試涂料的熱傳導(dǎo)率。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)原理和方法基本相同,主要區(qū)別是ASTM E1530采用了護(hù)熱保護(hù)裝置（熱保護(hù)爐）,通過減少橫向的熱損耗來提高測試精度。護(hù)熱式熱流計(jì)法的試驗(yàn)裝置如圖1所示。熱流計(jì)法的主要工作原理為：在穩(wěn)定傳熱過程中,當(dāng)傳熱速率等于散熱速率的平衡狀態(tài)時(shí),根據(jù)傅里葉一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型,由通過試樣的熱流密度、兩側(cè)溫差和厚度,可計(jì)算得到材料的總熱阻。對于由涂料涂覆在金屬基片上構(gòu)成的試樣,涂料的熱傳導(dǎo)率可由式（1）計(jì)算。 

式中：θ為試樣總熱阻；L基和L涂分別為基材和涂層的厚度；λ基和λ涂分別為基材和涂層的熱傳導(dǎo)率；S為傳熱面積,等同于基片的底面積。 

圖  1  護(hù)熱式熱流計(jì)法試驗(yàn)裝置示意

通過熱流計(jì)法測得試樣的總熱阻后,由于其他參數(shù)已知,可以求解得到涂層的熱傳導(dǎo)率。 

GB/T 22588—2008《閃光法測量熱擴(kuò)散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)》使用閃光法測試材料的熱傳導(dǎo)率,其原理是：在程序溫度控制下,由激光源在瞬間發(fā)射一束光脈沖,均勻照射在試樣下表面,使其表層吸收光能后溫度瞬時(shí)升高,并作為熱端將能量以一維熱傳導(dǎo)的方式向冷端傳播。使用紅外檢測器連續(xù)測量上表面中心部位的相應(yīng)溫升,得到溫度升高對時(shí)間的關(guān)系曲線,最終測得的是試樣的熱擴(kuò)散率α。閃光法試驗(yàn)裝置如圖2所示。材料的熱傳導(dǎo)率可根據(jù)式（2）計(jì)算得到。 

式中：α為涂層的熱擴(kuò)散率；C為涂層的比熱,由差示掃描量熱法測得；ρ為涂層的密度。 

圖  2  閃光法試驗(yàn)裝置示意

以上參數(shù)均特異于涂層的溫度。熱流計(jì)法試驗(yàn)裝置為DRL-II型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀,而閃光法試驗(yàn)裝置為LFA467HT型閃射法導(dǎo)熱儀。 

2.   試驗(yàn)材料與方案

以無機(jī)富鋅涂料和高固體分環(huán)氧涂料作為研究對象,根據(jù)ASTM E1530（護(hù)熱式熱流計(jì)法）、GB/T 10295—2008（普通熱流計(jì)法）和GB/T 22588—2008（閃光法）3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別對無機(jī)富鋅涂料、高固體分環(huán)氧涂料在30,90,150 ℃條件下進(jìn)行熱傳導(dǎo)率測試,并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,旨在評估3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間的等效性及適用性。對于ASTM E1530及GB/T 10295—2008標(biāo)準(zhǔn),由于涂料的熱傳導(dǎo)率較低,為減小試驗(yàn)誤差,將兩種涂料噴涂在金屬基片上進(jìn)行測試；對于GB/T 22588—2008標(biāo)準(zhǔn),則直接使用片狀涂層進(jìn)行測試。不同標(biāo)準(zhǔn)測試方法的試樣參數(shù)如表1所示。對于每種試驗(yàn)條件,在每個(gè)溫度下均測試至少3個(gè)平行試樣,測試結(jié)果取平行試樣的平均值。 

3.   測試結(jié)果及分析

依據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)對涂層的熱傳導(dǎo)率測試結(jié)果如圖3,4所示。由圖3可知,對于無機(jī)鋅涂層,GB/T 10295—2008普通熱流計(jì)法測得的涂層熱傳導(dǎo)率與ASTM E1530護(hù)熱式熱流計(jì)法的測試結(jié)果更為接近,而閃光法測得的數(shù)據(jù)與熱流計(jì)法的測試結(jié)果存在較大差異。由圖4可知,對于環(huán)氧涂層,3種測試方法所得的數(shù)據(jù)較為接近,但閃光法測得的結(jié)果偏大。以下是對測試結(jié)果的具體分析。 

圖  3  無機(jī)富鋅涂層熱傳導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)

圖  4  環(huán)氧涂層熱傳導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)

GB/T 22588—2008閃光法測得的無機(jī)鋅熱傳導(dǎo)率和熱流計(jì)法差別較大,測試時(shí)由激光源在瞬間向試樣下表面發(fā)射一束光脈沖作為熱源,為達(dá)到理想的測試精度,需滿足以下條件：（1）熱量在試樣內(nèi)是一維熱流；（2）試樣表面沒有熱損失；（3）激光脈沖能量被試樣正面均勻吸收；（4）激光脈沖寬度足夠?。唬?）激光脈沖能量的吸收僅在下表面很小的厚度內(nèi)發(fā)生；（6）試樣是均勻不透光的；（7）溫度保持恒定。根據(jù)無機(jī)鋅涂層的特性,在滿足上述條件下,條件（2）和（5）可能存在偏差。由于無機(jī)鋅涂層的熱傳導(dǎo)率較高,且試樣厚度較?。▋H1 mm）,熱傳導(dǎo)過程中可能存在較大的熱損失；同時(shí),由于試樣厚度較薄,難以將熱量吸收區(qū)域限制在下表面很小的厚度內(nèi)。此外,無機(jī)鋅涂層的比熱較小,熱量的吸收和存儲能力不如環(huán)氧涂層。因此,多個(gè)因素可能導(dǎo)致閃光法測得的無機(jī)鋅涂層熱傳導(dǎo)率偏大。 

GB/T 10295—2008普通熱流計(jì)法測得數(shù)據(jù)與ASTM E1530護(hù)熱式熱流法測得數(shù)據(jù)較為接近,兩者均采用熱流計(jì)法測試涂層的熱傳導(dǎo)率。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)原理和方法基本相同,區(qū)別在于ASTM E1530標(biāo)準(zhǔn)在測試區(qū)域周邊增加了熱保護(hù)爐,如果加熱到試樣的測試溫度,就能減小試樣與周邊環(huán)境的溫度差,從而減少橫向的熱損失,以提高測試精度。理論上,ASTM E1530標(biāo)準(zhǔn)測試方法應(yīng)更為準(zhǔn)確,但考慮到以下因素：（1）試驗(yàn)中的ASTM E1530測試試樣基材厚度為12.7 mm,而涂層厚度僅約為0.1 mm,涂層厚度的測量誤差會導(dǎo)致最終測得熱傳導(dǎo)率的誤差；（2）在GB/T 10295—2008標(biāo)準(zhǔn)的測試過程中,雖然未使用護(hù)熱裝置,但試樣的整體厚度僅為3 mm,遠(yuǎn)小于試樣的橫向直徑50 mm,因此橫向熱損失較小。此外,試驗(yàn)選擇鋁合金作為涂層的基材,其熱傳導(dǎo)率較大,熱阻可以忽略不計(jì)。在實(shí)際測試中,涂層的熱阻占總熱阻的95%以上,能夠有效避免由于基材熱阻過大而導(dǎo)致的測試誤差。因此,認(rèn)為兩種方法的涂層熱傳導(dǎo)率試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性相當(dāng)。 

4.   結(jié)語

根據(jù)GB標(biāo)準(zhǔn)和ASTM標(biāo)準(zhǔn)中3種不同的熱傳導(dǎo)率測試方法對核電涂料開展試驗(yàn),比較分析了不同測試方法的差異性?？傮w來說,GB/T 22588—2008閃光法與熱流計(jì)法對無機(jī)鋅涂層的測試結(jié)果差異較大,可能存在較大的試驗(yàn)誤差,無法替代ASTM E1530標(biāo)準(zhǔn)中的方法。GB/T 10295—2008普通熱流計(jì)法與ASTM E1530護(hù)熱式熱流計(jì)法的測試結(jié)果接近,但仍有30%~50%的偏差。在給定的試驗(yàn)條件下,不同方法對環(huán)氧涂層測得的熱傳導(dǎo)率較為接近,但閃光法測得結(jié)果偏大?？紤]到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)并非針對涂層材料,對涂層測試中的關(guān)鍵變量（如基材類型、基材厚度、涂層厚度等）缺乏明確規(guī)定,建議針對核電涂料制定國家標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范試樣的制作要求,以提高測試精度,避免因測試條件不同而引起測試結(jié)果差異。

文章來源——材料與測試網(wǎng)