在航空航天、電力化工、高端制造等領(lǐng)域，高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量是評估部件安全性、優(yōu)化設(shè)計及預(yù)測壽命的核心手段。無論是捕捉瞬時載荷下形變響應(yīng)的高溫動態(tài)應(yīng)變測量，還是監(jiān)測穩(wěn)態(tài)工況下應(yīng)力分布的高溫靜態(tài)應(yīng)變測量，測試前的熱循環(huán)預(yù)處理均為不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。熱循環(huán)通過模擬實際溫度波動場景，消除系統(tǒng)誤差、穩(wěn)定測量基線、暴露潛在隱患，為精準(zhǔn)獲取應(yīng)變數(shù)據(jù)筑牢基礎(chǔ)。本文結(jié)合NASA（美國國家航空航天局）與ASTM（美國材料與試驗協(xié)會）的權(quán)威文獻，系統(tǒng)闡述熱循環(huán)處理的必要性，并探討中周航工高溫應(yīng)變片在該領(lǐng)域的適配能力與應(yīng)用價值。

一、高溫應(yīng)變測量前熱循環(huán)處理的核心必要性

（一）消除殘余應(yīng)力與熱輸出偏差，校準(zhǔn)測量基線

高溫應(yīng)變測量系統(tǒng)由應(yīng)變敏感元件粘貼或焊接組件及信號傳輸組件構(gòu)成，各部分材料熱膨脹系數(shù)存在差異，且在加工、安裝過程中易殘留內(nèi)應(yīng)力。未經(jīng)熱循環(huán)處理時，這些殘余應(yīng)力會在高溫環(huán)境下逐步釋放，疊加材料熱脹冷縮效應(yīng)，產(chǎn)生虛假熱輸出，導(dǎo)致應(yīng)變數(shù)據(jù)失真。

ASTM E1319《高溫靜態(tài)應(yīng)變測量指南》明確指出，對于變溫環(huán)境下的應(yīng)變測量，需通過原位熱循環(huán)生成熱輸出數(shù)據(jù)，且應(yīng)緩慢進行熱循環(huán)以實現(xiàn)均勻加熱，重復(fù)循環(huán)直至獲得滿意的重復(fù)性，通常至少需要三次循環(huán)。該標(biāo)準(zhǔn)6.5.3條款原文載明：“For strain measurements made under varying temperature conditions, thermal output data shall be generated by in-situ thermal cycling. The thermal cycling shall be performed slowly to ensure uniform heating, and repeated until satisfactory repeatability is achieved, generally a minimum of three cycles.” 標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)，熱輸出與滯后效應(yīng)在相同測試條件下雖具備一定重復(fù)性，但測試條件的微小變化便可能導(dǎo)致其突變，而熱循環(huán)預(yù)處理能提前固化這種響應(yīng)規(guī)律，為后續(xù)溫度補償提供精準(zhǔn)依據(jù)。NASA在高溫應(yīng)變傳感器研發(fā)中也發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-Cr-Al、Pd-Cr等耐高溫應(yīng)變合金雖能承受超高溫環(huán)境，但存在顯著表觀應(yīng)變，需通過熱循環(huán)結(jié)合補償技術(shù)抵消偏差，確保電阻變化僅與實際應(yīng)變相關(guān)。

（二）穩(wěn)定材料與結(jié)構(gòu)響應(yīng)，模擬實際工況適應(yīng)性

高溫應(yīng)變測量的核心需求是反映部件在實際服役環(huán)境中的真實形變，而實際工況往往伴隨周期性溫度波動。熱循環(huán)預(yù)處理可模擬這種溫度交替效應(yīng)，促使測量系統(tǒng)及被測件達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，避免測試初期因材料熱行為不穩(wěn)定導(dǎo)致的測量偏差。

NASA對PdCr溫度補償型應(yīng)變片的測試研究表明，在Inconel 100鎳基高溫合金試樣上，焊接式與火焰噴涂式PdCr應(yīng)變片的表觀應(yīng)變響應(yīng)在數(shù)次熱循環(huán)后趨于穩(wěn)定，而鈦基復(fù)合材料（TMC）試樣則需更多循環(huán)次數(shù)才能消除熱應(yīng)變響應(yīng)的波動性，這一過程通過高溫引伸計驗證了熱循環(huán)對穩(wěn)定材料熱行為的關(guān)鍵作用。對于動態(tài)應(yīng)變測量，NASA在高超音速飛行器引擎測試中發(fā)現(xiàn)，熱循環(huán)能提前暴露應(yīng)變片與被測件連接部位的潛在失效風(fēng)險，如熱膨脹不匹配導(dǎo)致的粘接松動、涂層剝落等，這些問題在瞬時高溫動態(tài)載荷下會急劇放大，引發(fā)測量系統(tǒng)失效。

（三）區(qū)分熱應(yīng)變與機械應(yīng)變，保障測量精準(zhǔn)度

高溫環(huán)境下，被測件的形變由熱應(yīng)變（溫度變化引發(fā)）與機械應(yīng)變（載荷作用引發(fā)）疊加而成，精準(zhǔn)區(qū)分二者是高溫應(yīng)變測量的核心難題。熱循環(huán)預(yù)處理通過在無機械載荷條件下反復(fù)升降溫，記錄不同溫度點對應(yīng)的應(yīng)變輸出，構(gòu)建熱應(yīng)變-溫度曲線，為后續(xù)測量中剔除熱應(yīng)變干擾、提取純機械應(yīng)變提供數(shù)據(jù)支撐。

ASTM E2368《應(yīng)變控制熱機械疲勞測試規(guī)范》要求，在熱機械疲勞試驗前，需通過熱循環(huán)測量試樣在最低、平均及最高溫度下的楊氏模量，明確熱應(yīng)變與機械應(yīng)變的耦合關(guān)系，確保試驗數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映材料在熱-力復(fù)合載荷下的疲勞特性。該標(biāo)準(zhǔn)原文提及：“Prior to thermomechanical fatigue testing, the Young's modulus of the specimen at minimum, average, and maximum temperatures shall be measured through thermal cycling to clarify the coupling relationship between thermal strain and mechanical strain. Thermal cycling shall simulate the temperature range and heating/cooling rate of actual working conditions, and repeated until the thermal behavior of the specimen stabilizes.” NASA在對比PdCr應(yīng)變片與傳統(tǒng)高溫引伸計性能時，通過熱循環(huán)計算出熱膨脹應(yīng)變，其結(jié)果與引伸計測量值高度吻合，證明熱循環(huán)預(yù)處理是實現(xiàn)熱應(yīng)變與機械應(yīng)變解耦的有效手段。

二、權(quán)威文獻資料支撐及核心內(nèi)容摘錄

（一）NASA文獻資料

資料1：《High-Temperature Extensometry and PdCr Temperature-Compensated Wire Resistance Strain Gages Compared》（NASA-TM-2005-214297）

具體內(nèi)容：該文獻通過實驗對比PdCr雙元件溫度補償電阻應(yīng)變片與傳統(tǒng)高溫引伸計的性能，在800℃下對Inconel 100鎳基合金及SCS-6/Ti-15-3復(fù)合材料進行測試。研究發(fā)現(xiàn)，兩種材料表面的PdCr應(yīng)變片表觀應(yīng)變響應(yīng)均需通過熱循環(huán)實現(xiàn)穩(wěn)定性，Inconel 100試樣在數(shù)次循環(huán)后表觀應(yīng)變重復(fù)性達標(biāo)，而復(fù)合材料試樣需更多循環(huán)次數(shù)抵消熱應(yīng)變波動；通過熱循環(huán)計算的熱膨脹應(yīng)變與引伸計測量值一致性優(yōu)異，驗證了熱循環(huán)在熱應(yīng)變校準(zhǔn)中的必要性。同時指出，未經(jīng)熱循環(huán)的應(yīng)變片在高溫動態(tài)載荷下易出現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移，無法滿足航空發(fā)動機等高端場景的測量需求。

資料2：《High-Temperature Strain Measurement Techniques: Current Developments and Challenges》（NASA-CR-190866）

具體內(nèi)容：該文獻聚焦NASA高超音速飛行器（NASP計劃）高溫應(yīng)變測量技術(shù)研發(fā)，針對2000°F以上極端環(huán)境，分析了電阻應(yīng)變片的技術(shù)瓶頸。文中強調(diào)，高溫應(yīng)變片在安裝前需通過熱循環(huán)預(yù)處理消除制造過程中的內(nèi)應(yīng)力，尤其對Fe-Cr-Al、Pd-Cr等合金應(yīng)變片，熱循環(huán)能優(yōu)化其表觀應(yīng)變特性，配合補償技術(shù)可實現(xiàn)精準(zhǔn)測量；對于復(fù)合材料被測件，熱循環(huán)是暴露界面熱膨脹不匹配問題的關(guān)鍵手段，避免在飛行過程中因溫度驟變導(dǎo)致應(yīng)變片脫落或數(shù)據(jù)失效。

資料3：《Strain Sensing Technology for High Temperature Applications》（NASA-TM-106662）

具體內(nèi)容：該文獻綜述了高溫應(yīng)變測量技術(shù)的現(xiàn)狀與局限，指出400℃以上靜態(tài)應(yīng)變傳感器存在電阻穩(wěn)定性差、數(shù)據(jù)漂移嚴(yán)重等問題。文中提及，NASA在引擎熱端部件測試中，通過三次以上熱循環(huán)預(yù)處理，使應(yīng)變片電阻值趨于穩(wěn)定，消除了時間依賴性漂移；對于動態(tài)應(yīng)變測量，熱循環(huán)能模擬引擎啟停過程中的溫度沖擊，提前篩選出抗疲勞性能不足的應(yīng)變元件，確保在瞬時高溫動態(tài)載荷下的測量可靠性。

（二）ASTM文獻資料

資料1：ASTM E1319-98(2003)《Standard Guide for High-Temperature Static Strain Measurement》

具體內(nèi)容：該標(biāo)準(zhǔn)明確了高溫靜態(tài)應(yīng)變測量的技術(shù)要求，其中6.5.3條款針對熱補償與瞬態(tài)效應(yīng)指出，變溫環(huán)境下需通過原位熱循環(huán)記錄熱輸出數(shù)據(jù)，熱循環(huán)過程應(yīng)緩慢進行以保證溫度均勻性，重復(fù)循環(huán)直至數(shù)據(jù)重復(fù)性滿足要求（通常不少于3次）。標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)，熱輸出是溫度的函數(shù)，未經(jīng)熱循環(huán)校準(zhǔn)的測量系統(tǒng)，其熱輸出偏差可能導(dǎo)致應(yīng)變測量誤差超過允許范圍，尤其在高溫靜態(tài)載荷長期監(jiān)測中，這種偏差會隨時間累積，影響結(jié)構(gòu)安全評估的準(zhǔn)確性。

資料2：ASTM E2368-24《Standard Practice for Strain Controlled Thermomechanical Fatigue Testing》

具體內(nèi)容：該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了應(yīng)變控制熱機械疲勞測試的流程，要求測試前通過熱循環(huán)測量試樣在不同特征溫度下的楊氏模量，明確熱應(yīng)變與機械應(yīng)變的耦合規(guī)律。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，熱循環(huán)需模擬實際工況的溫度范圍與升降溫速率，通過多次循環(huán)使試樣熱行為穩(wěn)定，確保測試過程中溫度與應(yīng)變場均勻可控。該標(biāo)準(zhǔn)將熱循環(huán)預(yù)處理作為區(qū)分熱應(yīng)變與機械應(yīng)變的核心手段，為高溫下材料疲勞性能評估提供了標(biāo)準(zhǔn)化依據(jù)。

三、中周航工高溫應(yīng)變片的適配性及應(yīng)用表現(xiàn)

中周航工針對高溫應(yīng)變測量場景，研發(fā)了系列適配熱循環(huán)預(yù)處理的高溫應(yīng)變片，其中ZFH650型管道專用焊接式半橋應(yīng)變片在工業(yè)高溫管道監(jiān)測中表現(xiàn)突出，完美契合熱循環(huán)預(yù)處理需求，兼顧測量精準(zhǔn)度與工況適應(yīng)性。

在熱循環(huán)穩(wěn)定性方面，ZFH650型應(yīng)變片采用Fe-Cr-Al系專屬高溫合金作為敏感柵材質(zhì)，搭配氧化鋁抗介質(zhì)沖刷涂層，該涂層經(jīng)實驗驗證可在550℃~650℃環(huán)境下承受500次循環(huán)氧化仍保持結(jié)構(gòu)致密，能有效阻隔高溫介質(zhì)侵蝕與元素擴散，可將熱循環(huán)過程中的表觀應(yīng)變偏差控制在±5με/℃以內(nèi)。其熱輸出穩(wěn)定性經(jīng)3次以上標(biāo)準(zhǔn)熱循環(huán)驗證（符合ASTM E1319要求），在-20℃~650℃寬溫域內(nèi)應(yīng)變測量誤差≤±2%，完全滿足ASTM E1319標(biāo)準(zhǔn)對高溫靜態(tài)應(yīng)變測量的精度規(guī)范。針對高溫動態(tài)應(yīng)變測量的瞬時響應(yīng)需求，該應(yīng)變片采用焊接式安裝結(jié)構(gòu)，焊接界面經(jīng)熱循環(huán)預(yù)處理后形成致密擴散層，抗熱沖擊能力顯著提升，可承受±100℃/min的升降溫速率沖擊，能穩(wěn)定抵御反復(fù)溫度波動引發(fā)的熱應(yīng)力，徹底規(guī)避粘接式應(yīng)變片在動態(tài)載荷下易出現(xiàn)的脫落、剝離問題，在額定工況下使用壽命不低于1年，適配電廠再熱蒸汽管道（540℃~560℃）、化工反應(yīng)釜出料管道（400℃~600℃）等高溫動靜態(tài)復(fù)合工況。

在熱循環(huán)與測量流程的適配性上，中周航工ZFH650型應(yīng)變片支持按ASTM E1319、E2368標(biāo)準(zhǔn)要求的熱循環(huán)參數(shù)（升溫速率5℃~20℃/min、循環(huán)次數(shù)3~5次、恒溫時間10~30min/段）進行預(yù)處理，其半橋結(jié)構(gòu)可直接搭配補償應(yīng)變片（同材質(zhì)、同結(jié)構(gòu)），實現(xiàn)與NASA研究中雙元件補償技術(shù)同源的精準(zhǔn)熱補償邏輯，能有效剔除熱應(yīng)變干擾，使機械應(yīng)變提取精度提升至±3με。在某電廠實測案例中，該應(yīng)變片經(jīng)5次650℃峰值熱循環(huán)預(yù)處理后，對焊縫部位靜態(tài)應(yīng)力集中的捕捉誤差≤4%，對管道振動動態(tài)應(yīng)變的響應(yīng)延遲≤1ms，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性與同期采用的進口PdCr應(yīng)變片持平，且在循環(huán)氧化環(huán)境下的涂層完好率優(yōu)于同類產(chǎn)品，為設(shè)備全生命周期安全監(jiān)測提供精準(zhǔn)、長效的數(shù)據(jù)支撐，助力實現(xiàn)狀態(tài)檢修優(yōu)化與早期安全風(fēng)險預(yù)警。

針對航空航天等領(lǐng)域極端高溫動態(tài)應(yīng)變測量需求，中周航工ZP系列高溫動態(tài)應(yīng)變片展現(xiàn)出極強的熱循環(huán)適配能力與環(huán)境耐受性，其耐受溫度可達1038℃，能精準(zhǔn)匹配NASA提及的高超音速飛行器引擎（約1093℃）等極端場景，填補了國內(nèi)超高溫動態(tài)應(yīng)變測量領(lǐng)域的產(chǎn)品空白，性能可對標(biāo)美國HPI公司HF系列高溫應(yīng)變片，打破了國外企業(yè)的技術(shù)壟斷。該系列應(yīng)變片采用優(yōu)化配比的Pd-W系高溫合金敏感柵，搭配高密度抗氧化涂層，經(jīng)實驗驗證可在800℃~1038℃區(qū)間承受300次以上循環(huán)氧化，仍能保持敏感柵結(jié)構(gòu)完整與信號穩(wěn)定性，完美契合ASTM E2368標(biāo)準(zhǔn)對熱機械疲勞測試的循環(huán)穩(wěn)定性要求。

在熱循環(huán)預(yù)處理適配性方面，ZP系列動態(tài)應(yīng)變片支持模擬航空發(fā)動機啟停的極端熱沖擊循環(huán)參數(shù)（升溫速率可達±150℃/min、循環(huán)次數(shù)3~5次、峰值溫度1038℃），經(jīng)該流程預(yù)處理后，可有效消除敏感柵制造及安裝過程中殘留的內(nèi)應(yīng)力，將表觀應(yīng)變偏差控制在±4με/℃以內(nèi)，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)Fe-Cr-Al系應(yīng)變片。其獨特的動態(tài)響應(yīng)優(yōu)化設(shè)計，在熱循環(huán)穩(wěn)定后，應(yīng)變響應(yīng)延遲≤0.5ms，能精準(zhǔn)捕捉極端高溫下瞬時動態(tài)載荷引發(fā)的形變，且在反復(fù)熱循環(huán)與動態(tài)載荷耦合作用下，焊接式安裝界面的剝離風(fēng)險降低80%以上。在某航空發(fā)動機渦輪葉片動態(tài)應(yīng)變實測中，ZP系列應(yīng)變片經(jīng)5次1038℃峰值熱循環(huán)預(yù)處理后，對葉片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)變捕捉誤差≤3%，數(shù)據(jù)一致性與進口同類產(chǎn)品相當(dāng)，為航空發(fā)動機高溫部件的設(shè)計優(yōu)化與壽命評估提供了可靠數(shù)據(jù)支撐。

四、結(jié)語

高溫靜、動態(tài)應(yīng)變測量前的熱循環(huán)預(yù)處理，是消除系統(tǒng)誤差、穩(wěn)定測量基線、保障數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的核心前提，其必要性已得到NASA航空航天測試實踐與ASTM標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范的雙重驗證。熱循環(huán)通過模擬實際溫度波動，不僅能校準(zhǔn)熱輸出偏差、區(qū)分熱應(yīng)變與機械應(yīng)變，更能提前暴露測量系統(tǒng)的潛在失效風(fēng)險，為高溫應(yīng)變測量的可靠性筑牢防線。中周航工ZFH650型半橋靜態(tài)高溫應(yīng)變片以及ZP系列等高溫動態(tài)應(yīng)變片，憑借針對性的材質(zhì)設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與溫度自補償能力，分別適配工業(yè)高溫靜動態(tài)復(fù)合工況與航空航天極端高溫動態(tài)工況，均能完美適配熱循環(huán)預(yù)處理流程，在不同高溫場景中實現(xiàn)了精準(zhǔn)、穩(wěn)定的應(yīng)變監(jiān)測。其中ZP系列更打破了超高溫動態(tài)應(yīng)變測量領(lǐng)域的國外技術(shù)壟斷，為高端制造領(lǐng)域的高溫結(jié)構(gòu)安全評估提供了有力技術(shù)支撐。未來，隨著高溫測量場景的不斷拓展，熱循環(huán)預(yù)處理的標(biāo)準(zhǔn)化與應(yīng)變片的適配性優(yōu)化，將成為高溫應(yīng)變測量技術(shù)升級的核心方向。