摘要：针对碳纤维隔热保温材料这种在高温真空和惰性气体环境下的唯一一类耐高温隔热保温材料，本文介绍了碳纤维隔热保温材料高温导热系数测试中的特点，以及国内外针对碳纤维隔热保温材料导热系数测试技术的发展现状，并详细介绍了国外碳纤维保温材料导热系数测试结果，以及上海依阳公司采用稳态热流计法对国产石墨硬毡导热系数的测试结果。

硬质碳纤维隔热材料

一、碳纤维隔热保温材料及其导热系数测试特点

碳纤维隔热保温材料是一种碳纤维与一定比例粘结剂成型制得的软毡材料，在软毡材料基础上通过碳化、石墨化、机加工制成硬质碳纤维隔热保温材料。评价这类材料隔热保温性能的一个重要指标为导热系数，而在导热系数测试中存在着与其他类型隔热材料不同的特点：

测试温度高：最高至～℃以上；惰性气体环境；真空、氮气、氩气、氦气等；两种温度分布形式：温度均匀和大温度梯度；两类材料形式：柔性和刚性；材料导电性：导电材料。

二、隔热材料高温导热系数国内外常用测试方法

对于低导热系数的隔热材料，常用的导热系数测试方法主要分为以下三类：

三类导热系数常用测试方法

从以上列表可以看出，目前国内外可满足碳纤维隔热保温材料导热系数测试的商品化设备只有德国耐驰公司的稳态保护热板法导热仪和上海依阳实业有限公司的稳态热流计法导热仪，可实现在真空和惰性气体环境下对碳纤维隔热败落材料导热系数进行测试，而美国NASA的稳态热流计法导热仪则是非标自制的非商品数测试仪器。

2.1稳态保护热板法

依据的标准为：ASTMC和GB/T，测量原理如图1所示。

图1单样品形式稳态保护热板法测量原理

对于稳态保护热板法导热系数测试仪器，目前国内外具有在高温和真空条件下进行导热系数测试能力的设备只有德国耐驰公司生产的商品化设备和美国NIST自制的标准化测试设备，如图2和图3所示。

图2德国耐驰公司的稳态保护热板法导热图3美国NIST稳态保护热板法导热仪

2.2稳态热流计法

依据的标准为：ASTMC、GB/T和YBT-。其中YBT-完全照搬了ASTMC，是一种采用水量热计法进行热流密度测量，也是一种热流计法。稳态热流计法的基本原理如图4所示。

图4稳态热流计法测量原理图

对于稳态热流计法导热系数测试仪器，目前国内外具有在高温条件下进行导热系数测试能力的设备有以下四家机构的设备，如图5和图6所示，但只有美国NASA和上海依阳实业有限公司具有自制的标准化测试设备，如图7和图8所示。

图5国产水量热计法高温导热仪图6美国Orton公司水量热计法高温导热图7美国NASA稳态热流计法高温导热系数图8上海依阳实业有限公司稳态热流计法

2.3瞬态热线法

依据的标准为：ASTMC和GB/T。瞬态热线法的基本原理如图9所示。

图9瞬态热线法导热仪原理图（平行线法

对于瞬态热线法导热系数测试仪器，目前国内外具有在高温条件下进行导热系数测试能力的设备有以下两家公司的设备，如图10和图11所示。

图10美国TA公司热线法高温导热仪图11德国Netzsch公司热线法高温导热仪

三、碳纤维隔热材料测试技术现状

从以上三类隔热材料测试方法和相关导热系数测试设备可以看出，商品化设备仅有德国耐驰的保护热板法和上海依阳的热流计法设备可以满足碳纤维隔热材料在惰性气体环境下的测试要求。

国外对碳纤维隔热材料导热系数测试多为非标自制设备，文献和隔热材料厂家报道全部是热流计法和热线法设备。主要因为只有这两种方法可实现高温。

除了上海依阳实业有限公司之外，还未见到国内其他机构具有碳纤维隔热材料导热系数测试设备，也未见到相应的测试结果文献报道。

四、碳纤维隔热保温材料导热系数的两种主要测试技术

从上述介绍可以看出，针对碳纤维隔热保温材料的导热系数测试，目前国内外只有稳态热流计法和瞬态热线法能实现高温条件下的测试。下面分别介绍这两种方法在导热系数具体测试中的特点。

4.1稳态热流计法高温导热系数测试

这是一种国内外隔热材料高温导热系数测试的主流方法，除可实现高温外，主要特点是模拟实际隔热时的大温差环境，可测量复合材料构件，并可测试不同方向上的导热系数。

可在真空和惰性气体控制气压环境下进行导热系数测试，美国NASA有过大量文献报道，技术非常成熟，几乎对所有航天用隔热材料都进行过测试评价。上海依阳也采用此技术，以满足国内航天高温隔热材料导热系数测试需求。

国外碳纤维隔热材料生产厂家的柔性和刚性隔热毡产品资料中也能看出采用的是稳态热流计法。

4.2瞬态热线法高温导热系数测试

在未出现稳态热流计法前，是隔热材料和碳纤维隔热材料的主流测试方法，以前多用于耐火材料导热系数测试中。

热线法导热系数测试设备结构简单，较易实现高温测试。

热线法导热系数测试设备特点之一是均温测试，得到的是真导热系数，而不是高温下具有大温差时辐射传热起主导作用的有效导热系数。

但对于碳纤维隔热材料这种导电材料，要设法解决热线高温绝缘难题。同时整个测试过程十分漫长，需要整个样品温度恒定。

4.3稳态热流计法与瞬态热线法测量结果的区别

稳态热流计法导热系数测试过程中，样品厚度方向上存在较大温差，在高温下会存在导热、对流和辐射传热等多种传热形式，这时所测试得到的导热系数对应于等效导热系数。

瞬态热线法导热系数测试过程中，被测样品温度均匀无温差，测试过程中只存在固体和气体导热传热形式，这时所测试得到的导热系数对应于真导热系数。

图12所示为两种不同低密度隔热材料中导热、对流和辐射传热时的相应导热系数随温度变化曲线，从曲线中可以明细看出，由于辐射传热的影响，会使得整体导热系数明细的增加。

图12固体、气体和辐射传热对应的导热

另外，对同一样品用热流计法测试得到的等效导热系数都比瞬态法热线法测试得到的真导热系数大，如图13所示。

图13有效导热系数与真导热系数对比

五、国外碳纤维隔热材料测试典型报道

5.1美国NASALangleyResearchCenter工作

美国NASALangleyResearchCenter研制的热流计法高温导热系数测试系统技术指标如下：

被测对象：刚性和柔性片状材料；样品热面温度最高：℉；气压控制范围：0.~torr。

美国NASALangleyResearchCenter研制的热流计法高温导热系数测试系统结构如图14所示。

图14美国NASA和上海依阳稳态热流计法

相关报道可参考以下文献：

①Daryabeigi,Kamran.Effectivethermalconductivityofhightemperatureinsulationsforreusablelaunchvehicles.NASA/TM--().②Daryabeigi,Kamran,GeorgeR.Cunnington,andJeffreyR.Knutson.Combinedheattransferinhigh-porosityhigh-temperaturefibrousinsulation:Theoryandexperimentalvalidation.Journalofthermophysicsandheattransfer25,no.4(1):-.

5.2日本NIPPONCARBON公司产品性能

日本NIPPONCARBON公司的碳纤维隔热保温材料主要有GF-F软毡系列和FGL多层复合硬毡系列，如图15和图16所示。

图15SoftFeltGF-FSeries图16FeltLaminatedFGLSeries

对于这两类碳纤维隔热保温材料，日本NIPPONCARBON公司在其

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