陶瓷基复合材料(CMCs)因其优异的高温稳定性、低热膨胀系数和轻质高强特性，在航空航天、核能、极端环境制造等领域展现出不可替代的应用价值。在超高温(>2000℃)环境下，材料的导热性能直接影响热防护系统的设计、发动机热端部件的效率以及核反应堆的安全性。因此，开发高、高可靠性的超高温导热测试设备成为材料科学研究的关键环节。
一、超高温导热测试的技术挑战
极端温度环境模拟
超高温测试需控温至±2℃，避免温度梯度导致测试误差。例如，NASA航天飞机主发动机燃烧室部件工作温度达2000℃，要求测试设备具备1800℃以上的控温能力，且需模拟真实服役环境中的氧化气氛、压力波动及热循环条件。
材料热膨胀与热应力耦合
CMCs的热膨胀系数(CTE)差异显著(如SiC/SiC复合材料CTE为3.8×10??/°C)，在高温下易因热失配产生微裂纹，影响导热性能。测试设备需同步测量热膨胀与导热系数，以解析热应力对导热路径的干扰。
氧化与腐蚀防护
超高温环境下，材料表面易形成氧化层(如SiO?保护膜)，其厚度与成分变化会改变界面热阻。测试设备需集成高纯气体系统(如氩气保护)，并配备实时监测装置(如质谱仪)以跟踪氧化产物。
二、主流超高温导热测试设备与技术
1. 激光闪射法(LFA)
原理：通过短脉冲激光加热样品表面，利用红外探测器测量背面温升曲线，结合热扩散系数计算导热系数。
设备代表：德国耐驰LFA 427激光导热仪，测试温度范围达室温至2800℃，导热系数测量范围0.1~2000W/m·K，±3%。
应用：
测试多晶石墨在室温至2000℃的导热性能，揭示其Debye温度(>1000K)对热扩散系数的影响。
评估ZrB?-SiC超高温陶瓷复合材料在1600℃氧化环境下的导热衰减，发现氧化层厚度每增加10μm，导热系数下降15%。
2. 防护热流计法
原理：在样品两侧建立稳定热流，通过测量温差与热流密度计算导热系数。
设备代表：高温导热系数测定仪(执行标准GB/T 17911-2006)，测试温度200~1250℃，优于5%，适用于耐火材料、陶瓷纤维等。
技术优势：
在线双标定技术同步校准温度与系统误差，提升测量稳定性。
防护热板设计减少边缘热损失，适合低导热系数材料(如0.02~5W/m·K)。
3. 数字图像相关法(DIC)结合红外热成像
原理：通过高速相机捕捉样品表面散斑图案，结合红外热像仪测量温度场，利用时空正则化算法分离热膨胀与机械应变，反演导热系数。
设备代表：EikoSim FE-stereoDIC系统，在1400℃下实现2μm位移分辨力，成功捕捉SiC/SiC复合材料在热循环中的微应变演化。
应用突破：
开发加权FEMU-TU算法，基于全场温度与位移数据识别材料热边界条件，解决超高温下黑体辐射干扰问题。
在1300℃下实现0.05%应变测量，为CMCs热机械性能评估提供新手段。
三、设备选型与测试标准
1. 设备选型关键参数
温度范围：根据材料服役温度选择设备上限(如1800℃或2800℃)。
控温：优先选择±1℃级设备，减少温度梯度影响。
气氛控制：高纯气体系统(如氩气、氧气)与压力调节装置(0.1~10MPa)。
数据采集：高速采样(≥1000Hz)与非接触式测量(如激光引伸计)结合。
2. 国际测试标准
ASTM E1461：激光闪射法测定材料导热系数。
ISO 22007：防护热流计法测试硬质材料导热性能。
GB/T 42655-2023：引入DIC技术的CMCs高温力学测试标准，规范应变测量与热膨胀补偿方法。
四、未来发展趋势
多物理场耦合测试：集成热、力、氧耦合环境模拟，揭示材料在极端工况下的综合性能退化机制。
原位微观结构表征：结合SEM、XRD等技术，实时观察晶粒生长、界面脱粘等微观演化对导热性能的影响。
智能化数据分析：利用机器学习算法建立导热系数预测模型，缩短测试周期并降低样本需求。
五、结论
陶瓷基复合材料超高温导热测试设备需兼顾极端温度控制、多物理场耦合及高测量需求。激光闪射法、防护热流计法与DIC技术的融合应用，为材料性能评估提供了多元化解决方案。未来，随着原位表征与智能化分析技术的发展，超高温导热测试将进一步推动CMCs在航空航天、核能等领域的工程化应用。