出于經濟和環境效益的考慮,核電站的長期運行已成為全球趨勢。中國自主研發的三代核電機組“華龍一號”設計壽命達60 a,遠超一般風電機組20 a和光伏組件30 a的設計壽命[1]。在全球范圍內,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運行的審批,將Surry 1號、2號和Turkey Point 3號、4號等機組的許可證延長至80 a[3]。長期運行計劃對核電材料和設備的安全性能提出了更高的要求,因此,必須對相關材料進行精確的性能評估與鑒定,這項工作依賴于標準化的測試方法。 

涂料廣泛應用于中國大型先進壓水堆核電站中,并分為常規涂料和專用涂料。應用于非輻射控制區常規涂料的技術要求與其他工業領域類似,而用于輻射控制區及安全殼內的專用涂料除了具備防腐蝕和裝飾功能外,還須承受輻射、設計基準事故以及嚴重事故等特殊環境條件[4]。因此,在涂層施工前,核電涂料須通過一系列嚴格檢驗,包括熱傳導率測試、火焰延燒性試驗、附著力測試等。這些檢驗通常依據ASTM標準。 

相比ISO和ASTM等著名標準組織,中國的國家標準（GB）起步較晚,但經過多年的發展,現已有超過4.4萬項國家標準。在材料領域,GB標準大量采納了ISO或IEC標準,但對ASTM標準的采標較少,這在某種程度上增加了ASTM標準實施的難度。分析和比較中國標準與國際主流標準有助于了解標準體系的現狀及發展方向。文獻[5]對中國輻射處理行業的標準和法規進行了初步比較,并與國際標準進行了對比。XU等[6]比較了中國、歐洲和ISO關于外墻保溫復合系統的代表性標準,深入分析了不同標準體系在結構、范圍和性能要求等方面的差異,并對該領域標準化提出了建議。具體到涂料領域,王龍[7]通過對GB標準與國際主流標準的深入比較,指出了中國建筑鋼結構防火涂料標準的不足,如涂層厚度的單一性。趙子玲等[8]總結了中國建筑涂料標準的現狀與問題,指出了采標率低的問題,并對建筑涂料標準的國際化和行業高質量發展提出了建議。於杰等[9]分類介紹了中國涂料測試標準及其與ISO標準的關聯,涉及涂料的液態性能、施工性能、光學性能、力學性能及耐化學性能等方面。然而,這些研究主要集中于標準內容的直接解讀,尚未涉及試驗驗證,而試驗驗證有助于更深入地理解標準細節,并為標準間的可替代性提供直接依據。此外,熱傳導率作為涂層的重要性能指標,反映了涂層的隔熱性能,其準確測量對于涂層應用意義重大。然而,目前涂層的熱傳導率測試仍然缺乏專用標準,通常依賴通用標準,相關標準的分析和比對工作亟待加強。 

基于此,筆者對可用于核電涂層熱傳導率測試的GB標準與ASTM標準進行了分析和比較,介紹了不同標準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,測試了熱傳導率,從試驗流程和結果方面進一步評估了不同標準之間的可替代性,并提出了相應建議。研究成果可為核電涂層的標準化鑒定提供依據,對涂料體系的標準化測試有一定參考價值。 

1.   試驗原理及試驗裝置

GB/T 10295—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定 熱流計法》與ASTM E1530《用保護的熱流計技術評定材料耐傳熱性能的標準試驗方法》均采用熱流計法測試涂料的熱傳導率。兩個標準的試驗原理和方法基本相同,主要區別是ASTM E1530采用了護熱保護裝置（熱保護爐）,通過減少橫向的熱損耗來提高測試精度。護熱式熱流計法的試驗裝置如圖1所示。熱流計法的主要工作原理為：在穩定傳熱過程中,當傳熱速率等于散熱速率的平衡狀態時,根據傅里葉一維穩態熱傳導模型,由通過試樣的熱流密度、兩側溫差和厚度,可計算得到材料的總熱阻。對于由涂料涂覆在金屬基片上構成的試樣,涂料的熱傳導率可由式（1）計算。 

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率；S為傳熱面積,等同于基片的底面積。 

圖  1  護熱式熱流計法試驗裝置示意

通過熱流計法測得試樣的總熱阻后,由于其他參數已知,可以求解得到涂層的熱傳導率。 

GB/T 22588—2008《閃光法測量熱擴散系數或導熱系數》使用閃光法測試材料的熱傳導率,其原理是：在程序溫度控制下,由激光源在瞬間發射一束光脈沖,均勻照射在試樣下表面,使其表層吸收光能后溫度瞬時升高,并作為熱端將能量以一維熱傳導的方式向冷端傳播。使用紅外檢測器連續測量上表面中心部位的相應溫升,得到溫度升高對時間的關系曲線,最終測得的是試樣的熱擴散率α。閃光法試驗裝置如圖2所示。材料的熱傳導率可根據式（2）計算得到。 

式中：α為涂層的熱擴散率；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  閃光法試驗裝置示意

以上參數均特異于涂層的溫度。熱流計法試驗裝置為DRL-II型導熱系數測試儀,而閃光法試驗裝置為LFA467HT型閃射法導熱儀。 

2.   試驗材料與方案

以無機富鋅涂料和高固體分環氧涂料作為研究對象,根據ASTM E1530（護熱式熱流計法）、GB/T 10295—2008（普通熱流計法）和GB/T 22588—2008（閃光法）3個標準分別對無機富鋅涂料、高固體分環氧涂料在30,90,150 ℃條件下進行熱傳導率測試,并對試驗結果進行分析,旨在評估3個標準之間的等效性及適用性。對于ASTM E1530及GB/T 10295—2008標準,由于涂料的熱傳導率較低,為減小試驗誤差,將兩種涂料噴涂在金屬基片上進行測試；對于GB/T 22588—2008標準,則直接使用片狀涂層進行測試。不同標準測試方法的試樣參數如表1所示。對于每種試驗條件,在每個溫度下均測試至少3個平行試樣,測試結果取平行試樣的平均值。 

3.   測試結果及分析

依據不同標準對涂層的熱傳導率測試結果如圖3,4所示。由圖3可知,對于無機鋅涂層,GB/T 10295—2008普通熱流計法測得的涂層熱傳導率與ASTM E1530護熱式熱流計法的測試結果更為接近,而閃光法測得的數據與熱流計法的測試結果存在較大差異。由圖4可知,對于環氧涂層,3種測試方法所得的數據較為接近,但閃光法測得的結果偏大。以下是對測試結果的具體分析。 

圖  3  無機富鋅涂層熱傳導率測試數據

圖  4  環氧涂層熱傳導率測試數據

GB/T 22588—2008閃光法測得的無機鋅熱傳導率和熱流計法差別較大,測試時由激光源在瞬間向試樣下表面發射一束光脈沖作為熱源,為達到理想的測試精度,需滿足以下條件：（1）熱量在試樣內是一維熱流；（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）激光脈沖寬度足夠小；（5）激光脈沖能量的吸收僅在下表面很小的厚度內發生；（6）試樣是均勻不透光的；（7）溫度保持恒定。根據無機鋅涂層的特性,在滿足上述條件下,條件（2）和（5）可能存在偏差。由于無機鋅涂層的熱傳導率較高,且試樣厚度較薄（僅1 mm）,熱傳導過程中可能存在較大的熱損失；同時,由于試樣厚度較薄,難以將熱量吸收區域限制在下表面很小的厚度內。此外,無機鋅涂層的比熱較小,熱量的吸收和存儲能力不如環氧涂層。因此,多個因素可能導致閃光法測得的無機鋅涂層熱傳導率偏大。 

GB/T 10295—2008普通熱流計法測得數據與ASTM E1530護熱式熱流法測得數據較為接近,兩者均采用熱流計法測試涂層的熱傳導率。兩個標準試驗原理和方法基本相同,區別在于ASTM E1530標準在測試區域周邊增加了熱保護爐,如果加熱到試樣的測試溫度,就能減小試樣與周邊環境的溫度差,從而減少橫向的熱損失,以提高測試精度。理論上,ASTM E1530標準測試方法應更為準確,但考慮到以下因素：（1）試驗中的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致最終測得熱傳導率的誤差；（2）在GB/T 10295—2008標準的測試過程中,雖然未使用護熱裝置,但試樣的整體厚度僅為3 mm,遠小于試樣的橫向直徑50 mm,因此橫向熱損失較小。此外,試驗選擇鋁合金作為涂層的基材,其熱傳導率較大,熱阻可以忽略不計。在實際測試中,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致的測試誤差。因此,認為兩種方法的涂層熱傳導率試驗結果準確性相當。 

4.   結語

根據GB標準和ASTM標準中3種不同的熱傳導率測試方法對核電涂料開展試驗,比較分析了不同測試方法的差異性。總體來說,GB/T 22588—2008閃光法與熱流計法對無機鋅涂層的測試結果差異較大,可能存在較大的試驗誤差,無法替代ASTM E1530標準中的方法。GB/T 10295—2008普通熱流計法與ASTM E1530護熱式熱流計法的測試結果接近,但仍有30%~50%的偏差。在給定的試驗條件下,不同方法對環氧涂層測得的熱傳導率較為接近,但閃光法測得結果偏大。考慮到現行標準并非針對涂層材料,對涂層測試中的關鍵變量（如基材類型、基材厚度、涂層厚度等）缺乏明確規定,建議針對核電涂料制定國家標準,規范試樣的制作要求,以提高測試精度,避免因測試條件不同而引起測試結果差異。

文章來源——材料與測試網