4J29可伐合金材料低温热物性及弹性模量测试

文佳佳 张 添 陆 燕

(1中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083) (2中国科学院大学 北京 100049)

4J29可伐合金材料低温热物性及弹性模量测试

文佳佳1，2张 添1，2陆 燕1

(1中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083) (2中国科学院大学 北京 100049)

为了研究4J29可伐合金的低温热物性和机械性能，为低温系统的设计、结构变形、力学稳定性、装调和光学校准等提供技术保障，分别选用“稳态纵向热流法”、“稳态法”测试了4J29可伐合金在77—300 K温区的热导率和比热容，采用弹性模量试验机测试了77—300 K温区的弹性模量系数。通过标准样品材料TC4对比及误差分析，证明热导率测量误差在9%以内，其它误差均控制在6%以内。

4J29 可伐合金 低温 热导率 比热容 弹性模量

1 引 言

随着空间对地观测、深空探测对高分辨率探测精度等要求的不断提高，光电系统采用低温环境工作是有效途径，这给系统的集成提出了更高的要求。在低温集成系统的优化设计中，计算机仿真需要精确的材料热物性、机械性能等数据。但随着新材料的研发及应用，实际应用的新型材料在低温区数据缺乏。4J29可伐合金(又称Kovar合金)具有特殊的膨胀特性，其与硅硼硬玻璃材料在加热及冷却过程中具有相近的膨胀系数和热胀冷缩速率，因此能够实现与玻璃的牢固匹配封接[1]，可用于真空密封，是目前航天红外低温光电系统中的常用材料。同时，4J29可伐合金在液氮温区以上具有良好的低温组织稳定性，并且具有优异的加工、焊接及电镀性能，是航天低温系统应用中电连接器的常用材料。4J29可伐合金的低温热物性和机械性能直接影响系统在低温状态下的密封性、温度均匀性及结构稳定性，因此，研究其低温热物性及机械性能，可为低温系统的成功设计、低温系统结构变形和力学稳定性、系统装调和光学校准等提供技术保障。现阶段，4J29可伐合金的热物性和机械性能低温数据较少报道，低温热变形等计算机仿真中缺乏准确可信的数据，而国外代号“4J29”的材料其化学成分与国内的4J29合金有差异，其数据不能作为仿真的参考，给设计和研究带来了不便。因此，本文依托中国科学院理化技术研究所的低温测试平台，对4J29可伐合金材料工程应用常需的热物性参数，包括热导率、比热容及力学性能参数(主要是弹性模量)进行了低温物性测量，测量温区为4J29可伐合金空间应用常用的液氮至室温温区，测量材料为上海钢铁研究所的4J29可伐合金材料，化学成分满足国家相关标准[2](见表1)。

表1 4J29可伐合金标准化学成分

2 测量原理装置

2.1 热导率测量原理及装置

热导率的测试选用稳态法[3]，稳态法相较于瞬态法实验公式简单、可控性强和精确度高，适合宽温区的测量，但稳定时间较长，并对测量系统的绝热、温度控制等要求较高。测量选用纵向热流法，将粗细均匀的4J29可伐合金试验样品棒置于绝热低温容器中，一端与大恒温热源保持良好热接触，另一端由稳定热源产生一个热流通过试验样品棒，持续加热并达到稳定后，样品上两点间建立稳定的温度差，则样品棒的热导率满足傅里叶定律[4]：

(1)

式中：λ为试验样品棒的热导率，W/(m·K)；L为样品长度，m；A为样品棒的横截面积，m2；Q为通过样品棒的热流速率，W；ΔT为加热达到稳定后样品棒两端建立的温度差，K。

测量4J29可伐合金热导率使用高真空绝热杜瓦作为恒温装置[3]，其结构如图1、图2所示[3]，冷源选用G-M型制冷机。

图1 实验装置示意图1. 测试杆；2. 抽气口(真空度<133×10-5Pa)；3. 真空外罩；4、5. 缠加热丝，控温精度高于0.01K；6. Pt-100电阻温度计；7. 热开关操纵杆；8. 热开关冷源铜柱；9. 铜编织带；10. 引线柱；11. 待测样品；12、13. 辐射罩Fig.1 Schematic diagram of experiment setup

图2 测试平台及样品粘贴示意图Fig.2 Schematic diagram of fixed sample

2.2 比热容测量原理及装置

测量4J29可伐合金比热容选用稳态法。将试验样品棒置于绝热低温容器中，一端与稳定热源接触，在一定时间产生的热流以一定速率通过试样棒，则试验样品的比热容为：

(2)

式中：c为试验样品棒的比热容，J/(kg·K)；Q为通过试验样品棒的热流速率，W；t为测量时间，s；m为试验样品棒的质量，kg；ΔT为加热后试验样品棒产生的温升，K。

稳态法比热容测量样品一般较小，需要对系统热量及温度变化量进行精确控制。本次测量选用美国Quantum Design公司综合物性测量系统仪(Physical Property Measurement System，PPMS)的比热容测试模块进行测量。PPMS内环境模拟腔设置多层绝热层，从内到外依次设置外壁、多层绝热材料、真空夹层、液氮层、液氦层及试验腔体，同时，样品放置在样品腔内专用台座上，台座由8根细丝固定，细丝同时兼顾温度传感器接线和加热线功能，基本结构如图3所示。通过以上方式，系统漏热被控制在极低的范围下，实现温度的精确控制。PPMS系统冷源选用G-M型制冷机，实现恒温系统的循环冷却。

图3 八爪型比热样品安装托Fig.3 “Eight foot” type specific heat measurement sample puck

2.3 弹性模量测量原理及装置

弹性模量是物体在弹性变形范围内(满足“胡克定律”)，线应力与线应变的商，如式(3)：

(3)

式中：E为弹性模量，F/s为线应力，Pa；dL/L为线应变，Pa。

利用深圳某公司万能实验机进行低温拉伸试验，拉伸机基本结构如图4所示[4]。根据4J29可伐合金材料变形量选用金属引伸计作为位移测量装置，并选用液氮恒温筒维持低温环境。

图4 典型拉伸低温容器示意图及说明1. 力；2. 室温支撑；3. 出气孔；4. 真空-绝热输液管；5. 低温支撑；6. 试样；7. 引伸计；8. 真空-绝热杜瓦；9. 杜瓦密封胶；10. 电引线座；11. 测力传感器；12. 拉伸杆Fig.4 Schematic diagram and description of a typical low temperature stretcher

3 实验结果及误差分析

3.1 4J29可伐合金热导率测量结果

为了验证4J29可伐合金热导率测试装置的系统误差，选用TC4钛合金作标准参考材料，进行5—300 K温区测试校验。通过两次TC4钛合金热导率测试，得到2组热导率随温度变化的实验数据。对2组数据取平均值，利用origin软件画出热导率与温度关系曲线图，并对该曲线进行8次多项式拟合，得到77—300 K温区TC4钛合金热导率随温度的变化关系式(4)，拟合曲线如图5所示，拟合参数见表2。对

图5 TC4钛合金热导率随温度的变化关系Fig.5 Curve fits of thermal conductivity of TC4

比美国数据库[5]相关数据，证明本测量方法在77—300 K温区测量误差在9%以内。

k=B0+B1T+B2T2+B3T3+B4T4+B5T5+

B6T6+B7T7+B8T8

(4)

表2 TC4钛合金热导率拟合公式参数

利用相同的测试方法和测试系统对4J29可伐合金的热导率进行测量，材料采用了上海钢铁研究所生产的4J29可伐合金棒材，加工了3个测试样品进行测试，得到3组77—300 K温区4J29可伐合金热导率测试结果。将3组实验数据求平均处理以减少测试随机性带来的误差，利用origin软件画出热导率与温度关系曲线图，并经8次多项式拟合后，获得4J29可伐合金热导率随温度变化关系的拟合式(5)，拟合曲线见图6，拟合参数见表3。

k=B0+B1T+B2T2+B3T3+B4T4+

B5T5+B6T6+B7T7+B8T8

(5)

图6 4J29可伐合金热导率随温度的变化关系曲线Fig.6 Curve fits of thermal conductivity of Kovar 4J29

3.2 4J29可伐合金比热容测量结果

4J29可伐合金比热容测试选用PPMS系统进行

表3 4J29可伐合金热导率拟合公式参数

测量，测量误差能够控制在5%以内，典型值小于2%。选用TC4钛合金作标准参考材料，进行2次5—300 K温区比热容测试校验，由于PPMS控温精度达到0.02%，因此可得到2组固定温度点下比热容随温度变化的实验数据。将数据求平均值，利用origin软件画出比热容与温度关系图，并对该曲线进行8次多项式拟合，得到TC4比热容随温度的变化关系式(6)，拟合曲线如图7所示，拟合参数见表4。其中拟合公式适用范围为20—300 K温区，对比美国发表的相关数据[5]，证明本测量方法在75—300 K温区测量误差在6%以内，最小误差可达到0.2%。

k=B0+B1T+B2T2+B3T3+B4T4+B5T5+

B6T6+B7T7+B8T8(20 K≤T≤300 K)

(6)

图7 TC4比热容随温度的变化关系曲线Fig.7 Curve fits of specific heat of Kovar 4J29

利用相同的测试方法和测试系统，对同一4J29可伐合金棒材的3个样品进行比热容测量，取3次测量结果的平均值，利用origin软件画出比热容与温度关系曲线图，并对该曲线进行8次多项式拟合，得出70—300 K温区4J29可伐合金比热容随温度的变化关系式(7)，拟合曲线如图8所示，拟合参数见表5。

表4 TC4比热容拟合公式参数(适用20—300 K)

k=B0+B1T+B2T2+B3T3+B4T4+B5T5+

B6T6+B7T7+B8T8

(7)

图8 4J29可伐合金比热容随温度的变化关系曲线Fig.8 Curve fits of specific heat of Kovar 4J29

表5 4J29可伐合金比热容拟合公式参数

Table 5 Fitting formula parameters of Kovar 4J29 specific heat

拟合参数数值B0-7.70013×10-5B11.70705×10-6B23.72442×10-5B33.61342×10-7B4-1.04649×10-8B58.30724×10-11B6-3.20303×10-13B76.18143×10-16B8-4.78977×10-19

3.3 4J29可伐合金弹性模量测量结果

4J29可伐合金低温弹性模量测试用“SANS”万能实验机及恒温杜瓦装置，测试出同一棒材材料不同样品在77 K、150 K、220 K、300 K温度的弹性模量值。选用了同种棒料加工12个样品，一个温度点对3个样品测量，取3个样品的测量平均值，得到图9所示的弹性模量测试结果。实验所选用金属引伸计在低温状态下通过标准不锈钢材料标定，误差可控制在9%以内，温度测量选用铑铁电阻及数字万用表，温度误差控制在±0.01 K，满足系统误差范围。

图7 4J29可伐合金弹性模量随温度的变化关系Fig.7 Curve fits of elastic modulus of Kovar 4J29

4 结 论

4J29可伐合金在低温区与常温区具有不同的热物性，其热物性的改变对系统设计具有一定的影响，这一点已引起了研究人员的重视。本文用“稳态纵向热流法”测试了4J29可伐合金在77—300 K温区的热导率值，用“稳态法”测试了4J29可伐合金在77—300 K温区的比热容，用弹性模量试验机测试了77—300 K温区的弹性模量系数，得到了4J29可伐合金在液氮至室温区工程需要的热物性参数及机械性能参数。热物性测试表明，4J29可伐合金的比热容和热导率随温度的降低而降低，77 K温区测量值均比常温区测量值小3倍以上。力学弹性模量测试中，弹性模量值随温度的降低变化不大，大小趋势出现随机性。通过利用TC4钛合金作标准参考材料对比及误差分析，证明测量误差在可接受范围以内，可以作为工程系统应用设计者的引用参考数据。

1 王以康. 4J29合金简介[J]. 上海钢研，1972(4)：1-2.

Wang Yikang. Brief introduction of 4J29 alloy[J]. Shanghai Steel&Iron Research，1972(4)：1-2.

2 中华人民共和国冶金工业部. YB/T5231-1993铁镍钴玻封合金4J29和4J44技术条件[S]. 1993.

3 许雯，黄荣进. 固体材料低温热导率测试系统[J]. 低温工程，2008(2)：32-36.

Xu Wen，Huang Rongjin. Thermal conductivity measuring system of solid materials at low temperature[J]. Cryogenics，2008(2)：32-36.

4 教晓冬. 轻质合金的低温物性研究[D].北京：中国科学院理化技术研究所，2006.

5 White G K，Meeson P. Experimental techniques in low-temperature physics(monographs on the physics and chemistry of materials)(59)[M]. New York：Oxford University Press，2002.

Measurements of cryogenic thermophysical properties and mechanical property for Kovar 4J29

Wen Jiajia1，2Zhang Tian1，2Lu Yan1

(1Shanghai Institute of Technical Physics，Chinese Academy of Science，Shanghai 200083，China) (2University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

The thermal conductivity，specific heat and elastic modulus of Kovar 4J29 at 77-300 K were tested for the thermal analysis and the structural mechanics analysis of the cryogenic optical system. The longitudinal heat flow method was used for the thermal conductivity measurement and the steady calorimetric technology was used for the specific heat measurement. Moreover，the elastic modulus was tested with the SANS elastic modulus tester. The curve fit results were presented and the error analysis was made by comparing measuring data with standard TC4 samples. The error for thermal conductivity was less than 9% and the others were less than 6%.

4J29；Kovar；low temperature；thermal conductivity；specific heat；elastic modulus

2016-04-12；

2016-06-28

文佳佳，女，26岁，博士研究生。

TB663

A

1000-6516(2016)06-0043-05