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航天材料熱物理性能測試技術 的發展現狀
何小 瓦
(航 天材料 及工 藝研 究所 北 京 9200 信 箱 73 分箱 15 號 100076 )
文獻標識碼 ：A
摘 要 根據航天材料熱物理性能測試技術的特點，系統介紹了國內航天材料熱物理性能測試技術的發展
狀況和發展趨勢，并詳細介紹了目前我國航天材料熱物理性能測試領域中所具備的測試技術和測試裝置、航天熱
物理性能所涉及的研究領域和內容以及 目前正在開展的研究工作。
關鍵詞 航天材料 熱物理性能 測試技術 動態測量 高溫 介電性能
A ctu a l S ta te o f T h erm op h yscial P ro p e rties M ea su rem en t
T ech n o lo gies fo r A erosp a ce M a terials
H E X lao —w a
(A erospace R esearch Institute of M ater i als and Processing Technology ， Beiji~ 9200 —73 —15 100076)
A b stra ct B ased on th e ch aracte r i stics o f the rm ophysica l prope rtie s m e as urem en t tec hnologies o f
aerospace m ate rials ， th e ac tual state a n d the tende ncy in rese arch on the rm ophysical prop e rties m e asurem e nt
tec hnologies o f aer o spac e m ate r i als ale introdu ced ． 3 h e c urrent te eh nologies a n d appara tus in the area o f term o—
p hysical prop e rties m esurem ents are described in detail． 3h e research areas a n d item s ， relate d to therm ophysi—
c a l p r o p e rties m easure m e nt techn olo gie s ， ale also p res ente d ．

1 引 言
材料的熱物理性能是材料 的基本性能， 也是進
行航天材料研制和航天工程設計的重要參數 ， 這些
參數主要包括： 熱導率、熱擴散率 、熱膨脹系數 、 比
熱、熱輻射系數 、電阻率 、介電常數和損耗角正切等 ，
這些參數對熱應力計算 、熱穩定性設計 、各種防熱隔
熱材料研究及吸波和透波材料的研究都是*
的。
航天材料熱物理性能測試分析可以用三個字來
概括它的特點 ， 即“廣”、“全”和“寬”。 “廣”即廣泛測
定 了上百種航天材料的熱物理性能。 “全”即可以全
面地測試分析材料的各種熱物理性能。 “寬”即測試
的溫度 區 間寬 ， 可 以從 低 溫 到 高 溫 ( 一196 cI=
3 000℃以上) 。 另外 ，隨著航天科學技術的發展， 對
熱物理性能測試技術提出了更多的要求。
收稿 日期：2(D ~-4)4-25
作者簡介 ：何小瓦(1963 一) ，男 ，高級工程師 ，主要從事于材料熱物理性能的研究。
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第 4 期 航天材料熱物理性能測試技術的發展現狀 · 2 1 ·
2 航天材料熱物理性能常規測試技術 2．3 比熱容測試儀器
航天材料熱物理性能測試技術研究始于 60 年
代， 隨著中國航天事業的迅速發展 ，在其后的幾十年
中，航天材料的熱物性測試技術研究取得 了很大的
進展，為滿足航天事業的迫切需要 ，建立了一系列能
適用于廣寬溫度范圍的有相當高水平的熱物性測量
裝置， 在熱物性測試研究標準化和系列化方面與國
際接軌 ，開展了大量工作 ，制定 了許多熱物性測量方
法的各種標準， 由此 ，建立起了比較系統和完備的熱
物理性能測試分析實驗室 ， 為航天材料 的研制生產
提供了大量測試分析數據，并在此基礎上，建立了航
天材料熱物理性能數據庫。
目前， 航天熱物理性能測試分析實驗室的主要
常規性測試技術手段主要包括。
2 ．1 熱導率測試儀器
由于航天材料所涉及 的材料種類繁多， 在不同
材料和不同溫度范圍之間， 材料的熱導率數值將有
巨大的差異 ，必須采用不同的測試技術和相應的測
試系統才能滿足需要。 這些熱導率測試系統主要包
括雙試樣小平板低溫熱導率測試儀器、單試樣大平
板熱導率測試儀器、單試樣小平板熱導率測試儀器、
熱流計式熱導率測試儀器和激光脈沖法熱導率測試
儀器。 通過這些測試系統， 使得材料熱導率的測試
溫度覆蓋 了從 一196 oC 一3 000 oC 的寬廣范 圍， 被測
的材料種類可以是各種金屬 、非金屬均質剛性材料，
也可以是非均質絕熱材料、涂層和油脂類材料。
2 ．2 熱膨脹系數測試儀器
在航天材料熱膨脹系數測試技術中，一般采用頂
桿法進行測量。 而在超高溫條件下， 只能采用非接觸
探測技術進行測量。 目前所建立 的常規熱膨脹系數
測試儀器主要有低溫立式頂桿法熱膨脹系數測試儀
器、中溫立式頂桿法熱膨脹系數測試儀器、 中溫立式
頂桿法大試樣熱膨脹系數測試儀器、高溫臥式頂桿法
熱膨脹系數測試儀器和激光掃描式超高溫熱膨脹系
數測試儀器，測試溫度覆蓋了從 一196 ~C 3 000 ~C ， 同
時還可以進行金屬材料熔點測量、高溫熱電偶標定和
材料燒結過程 的模擬分析試驗。 在所有的頂桿法熱
膨脹系數測試儀器中，采用了*的光柵位移測量
技術 ，整個測試過程 由計算機進行控制，很好地滿足
了材料研制和生產質量控制的檢測需要。
比熱容測試儀器的配備也是根據不 同材料類
型、試樣大小和測試溫度范圍來確定的， 主要有低溫
比熱容測試儀器 、下落式銅卡計法 中溫 比熱容測試
儀器、多試樣下落式量熱計法中溫比熱容測試儀器、
D SC 示差掃描量熱計法 比熱容測試儀器和下落式銅
卡計法高溫比熱容測試儀器 ，測試溫度覆蓋了從 一
196 c【= 一3 00 0 oC 。
2 ．4 微波介電性能測試儀器
微波介電性能測試儀器主要用于測量常溫條件
下低損耗材料 (透波材料 ) 和高損耗 (吸波材料 ) 在
2G H z 18 G H z 頻率范圍內的介 電常數和損耗角正
切。 對于低損耗透波材料 ，測試系統可以自動連續
在此頻率范圍內掃頻測量。
3 航天材料超高溫熱物理性能多參數
測試技術
航天材料在使用過程 中， 經常會處于幾千度以
上的超高溫 ，有時還伴隨著高溫突變過程。 所以超
高溫熱物理性能參數是航天材料和各種型號設計必
須的關鍵數據。
為了測量材料在超高溫下的熱物理性能，需要
對試樣加熱以達到某一要求的溫度和在所的方
向上建立一定的溫度梯度。 而傳統的測試系統已經
無法滿足 目前航天材料對超高溫熱物理性能的測試
需求 ，這主要體現在以下幾個方面。
3 ．1 傳統的測量方法一般采用外部加熱器 ，如前面
所述的常規性熱物理性能測試系統。 這種加外部加
熱器的測量方法 ，其熱慣性通常較大， 當變換測試條
件時，需要較長的時間恢復平衡。 同時，還需嚴格的
絕熱及保護加熱措施以達到一定的實驗邊界條件。
這使得試驗裝置復雜化 ，測量所經歷的時間較長。
3 ．2 在高溫范 圍內輻射加熱方式也使得測試過程
受到很大限制 ，這主要是 由于試樣和外部加熱器所
用的發熱體材料長時間的處于高溫狀態下 ， 而對于
大多數材料 ，當溫度高于 2 000 ~C 時 ， 由于傳熱強化、
化學反應蒸發擴散和機械強度降低等原因，會帶來
很多問題 ，甚至使得測量根本不可能進行。
3 ．3 隨著航天材料的發展， 高溫材料采用了復合材
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宇航 計測技 術 2OO4年
料的形式，這就使得這些非均質材料所做 的試樣無
法滿足傳統測試方法的要求 ， 因此， 采用新 的測試方
法和縮短測量過程所經歷 的時間， 在超高溫熱物理
性能測試中尤顯重要。
由此， 根據航天材料的特殊需要， 我們開展了超
高溫快速熱物理性能測試技術的研究 ， 采用大電流
直接通過試樣進行加熱 的方法較好地解決這些 問
題 ，整個測試系統可以進行 3 000℃以上的超高溫熱
物理性能測試， 如果被加熱試樣允許 ， 可以進行更高
溫度的測量。
由于這種*不需要外部加熱器 ，且容易達到
所需的邊界條件， 無論從測量過程經歷的時間和試
驗難度來看 ，都大大地減小了。 另外 ，所加入的能量
可以通過電量的測量方便地計算出，無需熱量計 ， 因
此， 測量裝置也有所簡化 ，這樣使得整個測試系統運
行可以長期的穩定可靠。 測量采用棒或條狀試樣以
表征材料的不均勻性 ， 當大電流(脈沖或恒定) 通過
時，通過控制系統的自動控制，溫度能迅速上升至穩
態。 配以響應時間為微秒級的高速光學高溫計和數
據采集控制系統 ，能精確地控制整個測量過程 ，使其
在試樣狀態惡化之前結束。
這種直接通電法的另一個顯著特點是可以實現
多個熱物理性能參數的測試 ， 即可在同一試驗、同一
試樣上 ，可同時或相繼測量熱導率、熱擴散率 、 比熱
容、線膨脹系數、 電阻率、單色發射率和總半球發射
率等多個熱物理性能參數。
直接通電法大的局限性在于被測試樣必須是
導電材料 ，但結合 目前 已配備的各種輻射加熱式熱
物理性能測試儀器 ，基本上可以覆蓋各種高溫材料
的熱物理性能測試。
4 防熱系統和材料的特殊熱性能測試
技術
在許多特殊的高溫使用環境下 ， 防熱系統和材
料的特殊熱性能測試技術研究是其 中一個重要研究
項 目。 目前我們正在開展這方面的研究工作 ， 這些
特殊熱性能測試技術主要包括以下幾方面的內容。
4 ．1 有效熱導率測試技術。 在一些特殊 防熱系統
和材料在使用過程中，外表面溫度經常會達到很高
的溫度， 而內表面溫度需要保持在室溫狀態， 這就需
要了解在大的溫度梯度下防熱系統和材料的整體有
效熱導率。 在有效熱導率的測試研究過程 中， 除了
需要模擬防熱系統和材料 的大范 圍溫度梯度外 ，還
需要模擬不同的大氣壓力環境。 在有效熱導率測試
技術中，測試環境要*模擬真實的溫度和壓力環
境 ，這樣就必須要求被測試樣 的冷面始終保持在室
溫溫度下。 為了實現這一條件 ，其關鍵技術就是研
究厚度為 1 m m 以下的薄膜式熱流計 以及相應的標
定技術。
4 ．2 高溫熱輻射系數測試技術 ，測試溫度范圍為室
溫 ～2 000 oC 。
4 ．3 高溫靜態熱震和高溫氧化損失率測試技術。
5 航天材料生產和質量控制 中熱物理
性能的動態多參數測試技術及其應用
隨著我國航天事業和其它民用技術的發展，材料
的生產已經從實驗室小批量研制轉 向大規模多批量
生產 ，相應的質量控制也越來越得到重視 ， 由此對材
料的熱物理性能測試技術提出了更高的要求。 例如，
在運載火箭低溫貯箱絕熱材料、飛機剎車片、煉鋼高
爐碳磚、建筑保溫材料和電冰箱、冷藏車等所用絕熱
材料的生產過程中，熱導率是材料質量的關鍵技術指
標。 目前國內外在這類材料的熱導率測試中，普遍采
用護熱板穩態測試方法，測試周期一般需要 6 小時以
上，特別是對于低溫隔熱材料的測試， 由于溫度傳感
器的散熱影響使得試樣直徑必須大于 200 姍 以上 ，
這樣造成測試周期更長。 對于建筑隔熱材料的熱物
性測量，測試周期也都在幾個小時以上，并且測試系
統龐大，測試樣品制作復雜。 而對于柔性絕熱材料 ，
目前還沒有更好的隔熱性能測試方法。
針對這些存在的問題 ，我們開展 了動態熱物性
測試技術 的研究工作 ， 并建立了相應 的測試 系統。
在此項測試技術中， 采用了類似于熱線法的測試原
理 ，但熱線用薄膜熱源來代替，并且此種薄膜熱源本
身也作為溫度傳感器來使用。 由此技術所建立的測
試系統可以幾分鐘的時間內測量熱導率為 500 W ／
mK 以下的各種形態的材料 ，測試溫度范 圍為 室溫
～ 700 oC 。 同時測試 系統在測量熱導率 的同時還可
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第 4 期 航天材料熱物理性能測試技術的發展現狀
以測量出熱擴散率和比熱容。
此項測試技術 由于對試樣沒有特殊的要求 ， 這
就可以實現在材料的制作現場檢測出材料的熱物理
性能，并且此技術可以覆蓋 目前所有絕熱材料在大
多數使用環境下的熱物理性能測試 ， 同時還可以對
各種金屬材料 、氣體和液體的熱物理性能進行測試。
由于對環境和試樣 的要求低， 這就為各種材料的研
制生產提供有效的現場檢測手段。
在許多領域中的各種特性也都可以用熱物理性
能參數來進行表征 ， 如無損探傷、復合氣體濃度、 真
空度、氣體流速 、土壤特性、巖石特性、食品特性、寶
石鑒別、交流電量計量、微波功率測量以及微觀熱物
理性能檢測等。 而這些特征表征的基礎就是動態測
試技術 ，所以此項動態多參數熱物理性能測試技術
在工業領域的測試 中有著重要的意義，并且動態測
試技術應用研究的市場潛力巨大。
另外 ，在傳統的熱物理性能測試技術的基礎上，
我們結合新技術成果， 對多參數動態測試技術進
行了研究。 如采用*的能同時測量溫度和熱輻
射系數的紅外溫度測試技術， 結合現有成熟的激光
脈沖法測試儀器， 研究 了在激光脈沖法測試儀器上
同時進行熱擴散率、 比熱容和熱導率的測試技術。
6 介電性能變溫測試技術
在一些重要的介電材料中， 介電性能與整體的
電氣性能有直接關系。 介電性能中主要的是介電
常數 、損耗角正切和透波率這三個參數 ，它們是衡量
介電材料性能質量好壞的主要依據之一。 因此在介
電材料的研制 、生產和使用過程中，這三個參數是考
核、檢驗材料產品性能的關鍵指標 。
在常溫環境下的介電性能測試 ， 國內目前的技
術手段無論在測試精度和準確性上已經達到了
*水平 ，如前所述的寬頻帶掃頻測試技術。 但高
溫環境下的介電性能技術卻與國外還有很大差距 。
所以 目前國內的技術現狀造成了無法在變溫條件下
進行準確的介電性能評估， 由此介電材料變溫測試
技術研究是 目前研究面臨著的一個重要課題。
目前我們 已經開始進行此方面的研究工作 ，研
究的內容就是針對介電材料在高溫和寬頻帶范圍內
的介電性能參數需求 ，開展介電常數、損耗角正切在
以上高溫和頻譜范圍內的測試技術研究 ，并研制相
應測試系統和標準測試方法， 同時根據準確的測量
結果計算出變溫透波率參數 。 并且通過以上研究工
作 ，終建立起有效的高溫寬頻譜介 電性能測試手
段 ，促進介電材料的優化設計，并使得介電材料的研
制及產品質量達到一個新高度。
7 熱物理性能標準參考材料
熱物理性能測試方法有很多是在特定的條件下
為特定的研究 目的而建立的， 即使是一些經典常規
的方法也往往因為各種原因而引人種種偏差， 因此
對使用各種測試儀器所獲得的材料熱物理性能數據
正確與否必須進行驗證。 從計量角度來說， 熱物理
性能測試儀器也必須進行周期性的校驗。
驗證或校驗的有效和簡單的方法就是采用由
國家*規定的標準參考材料 ， 以此標準參考
材料作為熱物理性能量值的傳遞標準。
迄今為止上尚未建立各 國* 的標準參考
材料 ，并且國內多年來也未建立起熱物理性能量值
傳遞標準體系。 所 以，我們根據航天材料熱物理性
能測試的特殊情況 ，采用了美 國國家標準局 (NIST )
的熱物理性能量值傳遞標準體系，建立了一系列的
熱導率 、比熱容和熱膨脹系數的標準參考材料。 在
2 500 oc 以上 ，采用各種難熔純金屬材料作為熱物理
性能標準材料 ， 以文獻值作為標準參考數據。 通過
以上工作， 我們建立起 了比較完備的熱物理性能標
準參考材料體系 ，為熱物理性能測試 的準確可靠提
供 了保證 。
綜上所述 ， 隨著科學技術特別是航天技術和航
天材料的飛速發展 ，航天材料熱物理性能測試技術
的研究范疇正在不斷擴展和深化， 其發展趨勢主要
體現為以下幾個方面：
(1) 從穩態測量技術 向動態測試技術發展 ；
(2)從破壞性取樣的測量向非破壞無損全場、實
時測量發展 ；
(3 ) 由接觸式測量向非接觸測量發展 ；
(4) 由單一性能向一機多用、多種性能同時測量
發展 ；
(5) 測量裝置和試樣向小型化發展；
(6) 向其它測試領域和特性表征方向發展