摘 要：为了更好的评估多层绝热材料在实际应用中的性能，依据国际上通用的表观导热率测试方法，搭建了相关实验台，给出了其单一高真空下的数据及某多层绝热材料在300—77 K温区随不同真空度下的数据，验证了所研制实验台的有效性，为将来建立绝热材料基础数据奠定了基础。
关键词：多层绝热 材料表观导热率 300—70 K 蒸发量热器热流密度
1 引 言
20世纪50年代起，低温绝热领域最重要的进展是在多层绝热材料上，其通常简称为MLI。多层绝热材料的提出是源于试图减小所有的传热途径，其通常由30层到80层低发射率的反射屏和低热导率的间隔物交替组合而成[1-2]。在高真空条件(至少优于10-2 Pa)下，具有极好的绝热性能，其理论表观热导率可以达到10-5 W/(m·K)，是目前已知绝热性能最好的材料，被称为“超级绝热”。
1900年，杜瓦首次在真空空间中放置金属屏，使得容器的绝热性能得以提高。基于这样的多屏削弱辐射的原理，1951年，瑞典Peterson P.提出了多层绝热的方法[3-4]。20世纪50年代末，由于空间技术的发展，迅速推进了多层绝热的研究和应用。Domoto G A，Boehm R F和Tien C L(田长霖)等关于低温下金属发射率的研究论证了反常集肤效应理论(Anomalous Skin effect, ASE)在预测金属发射率时的重要性[5]。Verkin B.I.提出了多层绝热层中残余气体影响问题[6]，引起了人们极大的关注。这导致了层数少，层密度小，以铝箔为多层辐射屏兼气体传导屏的多屏绝热结构的出现；也导致了各种减少层间残余气体导热、改进抽空工艺、缩短抽空时间等真空技术的发展。
现今的多层绝热材料，随着气体行业的发展和新能源液化天然气应用以及航空航天事业的发展，其使用得到广泛的推广。为了实际工程应用的需要，各种新型多层绝热材料不断涌现。例如，IMLI( Integrated MLI)[7]使用离散间隔技术，提高了绝热性能，与传统的绝热材料相比，绝热性能提高了27%，制造和安装成本降低了16%到50%；WMLI(Wrapped MLI)[8]利用类似骨架的结构来固定反射屏，避免了包裹在运输管道上由于压缩增加的导热，其热流密度为2.2 W/m2，比传统热流密度(26.6 W/m2，5 层，77 K 至295 K)低一个数量级，当WMLI应用于真空夹层管道中时，其漏热量为0.09 W/m ，低于工业用标准的0.31 W/m。
多层绝热材料的传热方式有固体导热、辐射换热、残余气体导热。这些传热方式互相影响，其性能与材料特性、残余气体压力、层数、层密度等诸多因素相关，难以精确测量，为此，现行通用的方法是采用表观导热系数(或表观热导率)这一指标来表征。参照国外现有的标准，本文研制了一台采用液氮为低温介质的圆柱型蒸发量热器，通过测量不同真空度条件下液氮蒸发的体积流速或质量流速来获得多层绝热材料的表观热导率数据，为多层绝热材料的研制和合理的布置方式提供数据支撑。
2 试验原理
本研究采用圆柱型蒸发量热器，根据已知条件下低温液体的蒸发潜热，通过测量体积流速或质量流速来计算通过绝热材料的漏热。这种方法使用最为广泛，有较高的测量精度，同时较为简单，低温液体可以提供稳定的冷边界温度。这种测量方法是测定特定条件下多层绝热材料的性能，能反映实际应用情况[9]。
图1给出了表观热导率试验台的原理图，测量胆4的上表面被上保护胆3包围，其下表面被下保护胆5包围，因此，外界漏热只能通过测量胆4侧表面来传递热量，引起液氮的蒸发，当系统建立热平衡后，测量从测量胆4内蒸发出的氮气流量V与冷、热边界的温度Tc与Th，结合实测得到的多层绝热材料缠绕厚度δ、气体流量计出口处氮气温度T1、压力P1，计算求得该系统下高真空多层绝热用材料的表观导热系数λ与热流密度q，即可得到真空多层绝热材料的表观导热系数与热流密度。
图1 表观热导率试验装置原理图
1.真空机组；2.真空阀；3.上保护胆；4.测量胆；5.下保护胆；6.冷边界温度计；7.热边界温度计；8.外加热带；9.高真空多层绝热用材料；10.外筒；11.鼓泡器；12.测量容器液氮充注口；13.保护容器液氮充注口；14.升温器；15.压力计；16.温度计；17.气体流量计。
Fig.1 General arrangement of a cylindrical boil-off apparatus
图1中鼓泡器11的作用是使保护胆中压力略高于测量胆，防止保护胆内蒸发的氮气再冷凝。图1中升温器14的作用是使得蒸发的液氮处于常温常压状态。
按式(1)与(2)分别计算真空多层绝热材料的表观导热系数与热流密度
(1)
(2)
式中：λ为表观热导率，W/(m·K )；V 为系统达到稳态后，蒸发的氮气流量，m3/s，根据测量得到；L 为液氮的汽化潜热，J/kg；ρg为273.15 K下氮气气体密度，kg/m3；P1、T1为试验条件下流量计出口处氮气的压力和温度，Pa、K；P0、T0为标准状态下的压力和温度(1.0133×105 Pa，273.15 K)；Th为系统达到稳态后，热边界温度，K，通过测量得到；Tc为系统达到稳态后，冷边界温度，K，通过测量得到；r 为测量容器的外半径，m；δ为试样的厚度，m，根据测量值计算得到；l为测量容器的长度，m。
3 实验装置
3.1 量热器系统
量热器的结构如图2所示，其中量热器中测量胆的内径为152 mm，高度为378 mm，测量胆的外表面积为0.180 5 m2，测量容积为6.3 L，外壳体的内径为294.8 mm。为了便于测试样品更换的方便，量热器内胆在保护胆和测量胆的管子上设置了可拆接口，通过CF16接口连接。而且为了消除管子在连接过程中的应力集中，连接测量胆的管子接口上还设置了波纹管。量热器外筒壁上布置有抽真空接口，为了获取更高的真空度，卧式分子泵直接从外壳体壁侧面通过挡板阀对接腔体(如图3所示，在量热器上保护胆的外侧)。
图2 量热器结构图
Fig.2 Schematic diagram of calorimeter
图3 基于液氮蒸发的多层绝热材料表观热导率测试实验台(左图)和高真空机组柜内部(右图)
Fig.3 Multilayer insulation thermal conductivity experiment(left) and high vacuum apparatus(right)
为了能获得稳定可调的真空范围，在外壳体上半段设置了一个针阀，用于控制放气速率从而改变量热器内真空度，从而得到不同真空度下多层绝热材料的表观热导率数值。也就是说，在分子泵开启的条件下，通过调节针阀，可以获得1.5×10-5—1×10-1 Pa的真空范围；在分子泵关闭的条件下，通过调节针阀，可以获得1×10-1—1×104 Pa的真空范围。
量热器系统置于一个平台之上，为了更换样品的方便，平台加设了起吊装置，从而使整个试验台操作便捷。为了获取高真空，所有接口均采用刀口密封。经过测试表明，在没有液氮注入的情况下，真空可达1.5×10-5 Pa，在液氮注入的情况下，真空可达10-6 Pa量级。
3.2 高真空系统
真空系统由中科科仪FF-160/700型分子泵与分子泵控制器、北仪优成TRP-24型机械泵组成，以使得量热器工作在优于10-3 Pa的高真空下。FF-160/700型分子泵的有效抽速为700 L/s，极限压强为6×10-8 Pa，额定转速为36 000 r/min,能充分满足试验要求。分子泵出口处与TRP-24型机械泵相连，TRP-24型机械泵的抽气速率为6 L/s，关气镇的极限压力为4×10-1 Pa，转速为1 450 r/min。为了达到更高的真空度，真空机组和量热器直接对接，避免了传统的采用波纹管连接，使得量热器可以达到更高的真空。
由于真空度对于绝热性能有着显著的影响，精确测量真空是本系统的关键。从文献 [14]可知，其拐点一般出现在1×10-3—1×102 Pa之间，因此，能测准1×10-3—1×102 Pa是该量热器的关键。电阻真空规管采用经过稳定化处理，热容量极小的热丝作为真空敏感元件，其可测范围为1×10-1—1×105 Pa，有效测量范围为5×10-1—2.5×103 Pa。测量精度±25%(1×10-1—3×103 Pa)。
电离规利用阴极发射的电子流电离气体，所产生的离子流与所处真空度相关的原理来测量真空度。其可测范围为1×10-5—4 Pa，有效测量范围为5.0×10-5—4 Pa，测量精度在10-2 Pa附近为±20%。
电容式薄膜真空计由电容式薄膜规管、测量电桥电路、直流补偿电源、低频振荡器、低频放大器、相敏检波器和指示仪表等组成。电容式薄膜规管的中间装着一张金属弹性膜片，在膜片的一侧装有一个固定电极，当膜片两侧的压差为零时，固定电极与膜片形成一个静态电容C0。金属弹性膜片将薄膜真空规管隔离成两个室，分别为接被测真空系统的测量室和接高真空系统的参考压力室。在这两个室的连通管道上设置一个高真空阀门。测量时，先用高真空抽气系统将规管内膜片两侧的空间抽至参考压力。同时调节测量电桥电路，使之平衡。然后测量室接通被测真空系统。由于规管中的压力差，膜片发生应变引起电容C0改变，破坏了测量电桥电路的平衡，指示仪表就会有相应的显示，因此该类真空计具有较高的真空测量精度。
图4 各型号薄膜规推荐使用测量范围
Fig.4 Effective measurement range of capacitance diaphragm gaug
根据图4，研究选用INFICON薄膜电容规两个，分别是CDG025D0.1×133 Pa和CDG025D1000×133 Pa，前者量程范围在1.33×10-3—13.3 Pa，测量精度为0.5%；后者量程范围在13.3—1.01×105 Pa，测量精度为0.2%；同时，选用INFICON公司的复合规BPG400，其量程范围在5×10-8—1.013 3×105 Pa，在5×10-8—104 Pa范围内，其测量精度为±15%，其它范围测量精度为±50%。同时，还安装了成都正华的电离规ZJ-27。也就是说，在所需要特别关注的1×10-3—1×102 Pa的真空范围内，有来自薄膜电容规的高精度数据来保障，复合规以参考；在优于1×10-3 Pa时，有复合规和电离规的数据来相互验证。
3.3 数据采集系统
目前，国内外实验平台主要采用气体质量流量计或湿式气体流量计测量蒸发的液氮气体流量。相比湿式气体流量计，气体质量流量计既可进行气体流量计量工作，也可用于过程控制领域，而且无须温压补偿，即可直接测出流体的质量流量。还拥有没有可动部件，压力损失小，量程比宽，响应时间快，精度高，可靠性高，安装简单，操作方便等优点，所以目前国内测量气体流量大部分使用气体质量流量计。本文选用Alicat的气体质量流量计，其测试范围为0—2 L/min，精度为满量程的±1%。
3.4 辅助系统
辅助系统包含检漏和液氮供应系统两部分。检漏仪选用中科科仪ZQJ-542型检漏仪，其主要由分子泵、质谱室、组合阀体，机械泵以及控制电路板等组成。其检漏范围为5×10-12—1 Pa·m3/s。试验前需对整个系统进行检漏，确保系统的漏放气速率符合标准。液氮供应系统包含两个液氮储罐，一个是高压罐，另一个是低压罐。试验中，将低压罐内的液氮加注到量热器的保护胆和测量胆中。
4 试验操作以及实验结果
4.1 空桶实验
为了检测实验装置是否符合要求，首先进行空桶实验，所谓空桶实验就是量热器内胆不包裹多层绝热材料，以此测定装置的漏热情况。实验中，测量腔内真空度为3.7×10-6 Pa，室温为10.2 ℃，测定的漏热量为4.85 W。由于不锈钢内胆外表面与外筒内表面的发射率未能准确得知，故无法进行准确的理论计算。查阅相关文献[10-11]，测量腔内压力1.3×10-2 Pa，室温24 ℃，测定的漏热量为7.41 W，与实验结果相比，所研制的量热器漏热量较小，可知量热器是符合要求的。
表1 各个量热器漏热漏热量
Table 1 Heat transfer rate of each calorimeter
4.2 多层绝热材料表观导热率与真空度关系
某试样30层，测量前，先注入液氮，让液氮对实验装置进行冷却。第二天，再补入液氮，图5为测量胆液氮蒸发速率随时间的变化曲线。从曲线中可以看出，2小时后液氮的蒸发速率逐渐趋向稳定，3小时后，系统已达到稳定状态。根据液氮的蒸发速率即可测出多层绝热材料的表观导热率。根据相关文献[12]，液氮的蒸发会受到大气压变化和气温的变化的影响，从图5中可以看出，8小时后，液氮的蒸发速率波动变大，分析可知是由于环境中昼夜温差变化引起的。
图5 测量胆液氮蒸发速率变化图
Fig.5 Variation of LN2 flow rate with time for test chamber
通过针阀可以精确改变量热器的真空度，测试不同真空度下的表观导热系数，参考相关文献[13]，绘制成图6所示多层绝热材料在不同真空度下的表观导热率，虚线为文献[13]中的数据，实线为本文样品测试结果。从图6中可以看出，国内外测试平台的实验结果与曲线变化趋势基本吻合，验证了测试平台的可用性。并且，从图中可以看出，本装置可以达到真空度更高，可以测量的范围更广。
图6 试样D的表观导热系数与真空度的关系图
Fig.6 Variation of thermal conductivity with cold vacuum pressure
5 总 结
本装置量热器和真空测量仪器整体封装在一起，采用自带升降梯，解决多层绝热材料安装的难题。内胆采用可拆卸装置，便于更换不同的内胆，由于系统可以达到较高的真空度，测量范围从10-6 Pa到大气压，使用薄膜式真空计以及多个真空计相互验证，使得真空度的测量更加准确。
空桶实验和某样品随真空度的变化规律验证了本实验台的可用性。但多层绝热材料的表观导热系数和比热流等参数受到材料、层间真空度、层密度、材料厚度、边界温度以及试验平台几何尺寸等诸多因素的影响，建立统一的标准和方法进行系统的研究已迫在眉睫。
