GBT 44027.2-2024 炭材料测定方法 第2部分：膨胀率的测定标准立项发展报告

炭材料测定方法第2部分：膨胀率的测定标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:TestMethodforCarbonMaterials—Part2:DeterminationofExpansionRate摘要关键词：炭材料；膨胀率；测定方法；国家标准；标准化；热稳定性；体积稳定性；试验方法一、引言炭材料（碳素材料）以其优异的耐高温性、导热导电性、化学稳定性及机械性能，在冶金、化工、机械、新能源、核能及航空航天等国民经济重要领域具有不可替代的地位。从传统的石墨电极、炭块，到新兴的锂电负极材料、碳纤维复合材料、石墨烯及其衍生物，炭材料的品类和应用范围持续拓展，对材料质量评价与控制提出了更加精细化、系统化的要求。在炭材料诸多性能指标中，膨胀率是反映材料在热处理过程中体积变化行为的关键参数。炭材料在石墨化或高温服役过程中，由于微观结构重排、热解产物的逸出以及物相转变等原因，会产生不同程度的体积膨胀或收缩。膨胀率的大小不仅决定了炭材料在后续加工和使用过程中的尺寸稳定性，还直接影响其在高温窑炉内衬、电解铝用阳极、石墨电极及核石墨等严苛工况下的使用寿命和可靠性。因此，建立科学、统一、可重复的膨胀率测定方法，对于炭材料的产品质量控制、工艺优化及工程应用选材具有重要的现实意义。然而，长期以来，我国在炭材料膨胀率测定领域尚无统一的国际标准，行业内各企业、各科研机构多参照ASTM、ISO等国外标准或各自的企业内部方法进行测试，测试条件与数据处理方法各异，所得结果的可比性较差，制约了产品质量评价的规范化和国际贸易的技术互认。在此背景下，制定一项专门针对炭材料膨胀率测定的国家标准，已成为产业发展的迫切需求。GB/T44027.2-2024《炭材料测定方法第2部分：膨胀率的测定》（以下简称“本标准”）正是在上述行业背景下，由全国钢标准化技术委员会提出并归口，联合国内多家炭材料骨干企业和科研院所共同研制的国家标准。该标准于2024年5月28日由国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会批准发布，并将于2024年12月1日起正式实施。本报告将对该标准的编制历程、技术内容、主要参编单位及标准实施意义进行系统阐述，以期为炭材料领域的标准使用者、技术人员及管理者提供全面、权威的参考。二、标准编制背景与任务来源2.1国内外标准现状分析在国际标准化领域，涉及炭材料膨胀率测定的标准主要包括：-ISO14420:2005（碳素材料—碳素制品膨胀率的测定），该标准以碳素制品的线膨胀率测定为主，规定了在一定温度区间内材料线性尺寸的相对变化量，但未对不同升温速率和气氛条件下的体积膨胀行为作细致规定。-ASTME228-22（用石英膨胀计测定固体材料线性热膨胀的试验方法），该标准主要用于各类固体材料的线膨胀系数测定，测试温度范围宽，但并非专门针对炭材料设计，在试样尺寸、预处理条件和结果表征方面对炭材料的适用性有限。-YS/T63.8-2006（铝用炭素材料检测方法第8部分：二甲苯密度的测定），虽属铝用炭素检测系列标准，但主要涉及密度测定，与膨胀率测定无直接对应关系。在国内，此前尚无一项目专门针对炭材料膨胀率的测定方法国家标准。相关企业和研究机构通常参照ASTM或ISO标准执行，或在企业内部制定相应的测定规程。由于测试温度区间、升温速率、试样形状与尺寸、气氛条件等关键参数在不同方法和操作中缺乏统一规定，导致不同来源的测试数据缺乏可比性，严重制约了炭材料质量评价与验收工作的规范化。2.2标准立项的必要性（1）产业需求的迫切性。我国是全球最大的炭材料生产国和消费国，炭素制品年产量超过500万吨。随着超高功率石墨电极、锂电池负极材料、特种石墨等高端炭材料产品的快速发展，产品验收和质量控制中对膨胀率指标的考核需求快速增长。统一测定方法已成为产业链上下游的共识。（2）技术支撑的紧迫性。膨胀率测定涉及高温气氛炉、位移传感器、数据处理系统等多个技术环节，各环节的操作细节直接影响测试结果的准确性。建立统一的测定方法标准，有助于提升检测数据的可信度，为产品质量分级、工艺优化和工程设计提供可靠数据支撑。（3）与国际接轨的必然要求。随着我国炭材料产品出口规模不断扩大，采用与国际通行方法协调一致的标准进行产品检验，有助于消除国际贸易中的技术壁垒，增强国产炭材料在国际市场上的竞争力。基于上述背景，全国钢标准化技术委员会于2022年向国家标准化管理委员会申报《炭材料测定方法第2部分：膨胀率的测定》国家标准制定项目，经批准后正式立项，纳入2022年国家标准制修订计划。三、标准主要技术内容3.1标准适用范围与定位本标准规定了炭材料膨胀率测定的术语和定义、试验原理、仪器设备、试样制备、试验步骤、结果计算及精密度要求等内容，适用于石墨材料、炭素制品、炭复合材料和炭质原料等在热处理过程中体积膨胀行为的评价。标准适用于炭材料在室温至最高2500℃温度范围内的膨胀率测定。3.2术语与定义本标准明确界定了以下关键术语：-膨胀率：试样在规定的升温条件下，加热至指定温度后，其体积（或长度）的相对变化百分率。-线膨胀率：试样在规定的温度区间内，沿某一方向的线性尺寸相对变化百分率。-体膨胀率：试样在规定的温度区间内，体积的相对变化百分率。-升温速率：单位时间内试样温度的平均升高量，单位为℃/min。3.3试验原理本标准规定的膨胀率测定原理为：将规定尺寸和形状的试样置于膨胀仪或高温热膨胀测试装置中，以设定的升温速率将试样加热至规定温度，通过位移传感器实时记录试样尺寸随温度的变化，最终计算得到试样在指定温度区间内的线膨胀率或体膨胀率。3.4仪器设备要求标准对试验用主要仪器设备提出了明确的技术要求：-膨胀仪：测量精度不低于±0.5%，位移传感器分辨率不大于0.1μm；-加热装置：均温区长度不小于试样长度的1.5倍，温度控制精度为±5℃；-测温装置：采用热电偶或光学高温计，测温精度为±0.5%；-记录装置：可自动记录温度-位移曲线，数据采样频率不低于1Hz。3.5试样制备标准对试样的尺寸、形状、加工精度、数量及预处理条件作出了明确规定。标准要求试样为圆柱体或长方体，推荐直径为6~10mm（圆柱体）或边长为6~10mm（长方体），长度不小于25mm，两端面平行度不大于0.05mm。试样表面应无裂纹、无肉眼可见缺陷。试样应在105℃±5℃的烘箱中干燥至恒重，冷却至室温后进行测定。3.6试验步骤（1）测量试样室温下的初始尺寸，精确至0.01mm；（2）将试样装入膨胀仪，确保试样与位移传感器接触良好；（3）以规定的升温速率（通常为5℃/min）升温至规定的最终温度；（4）记录升温过程中试样的尺寸变化数据；（5）达到最终温度后，保温不少于30min，记录保温结束时的尺寸变化值；（6）自然冷却至室温，测量冷却后试样的最终尺寸。3.7结果计算线膨胀率（%）按以下公式计算：\[\alpha=\frac{L_T-L_0}{L_0}\times100\%\]其中，\(L_0\)为试样初始长度（mm），\(L_T\)为试样在温度T时的长度（mm）。体膨胀率（%）按体积膨胀的等效关系由线膨胀率换算得出（假设各向同性材料）：\[\beta=3\alpha\]标准要求取两次平行测定结果的算术平均值作为最终测定结果，两次测定结果的相对偏差不超过5%。3.8精密度要求标准对试验方法的重复性和再现性作出了规定：同一实验室、同一操作者、同一设备，对同一试样进行两次平行测定所得结果的相对偏差不大于5%；不同实验室间对同一试样测定结果的相对偏差不大于10%。四、标准编制主要参编单位介绍本标准由冶金工业信息标准研究院作为主要起草单位，联合国内多家炭材料骨干企业、科研院所和大专院校共同完成编制工作。冶金工业信息标准研究院简介冶金工业信息标准研究院（以下简称“信息标准院”）成立于1963年，是直属于中国钢铁工业协会的部级公益性科研事业单位，是我国冶金和炭素材料领域标准化工作的权威技术归口机构。信息标准院长期承担全国钢标准化技术委员会（SAC/TC183）秘书处工作以及全国标准样品技术委员会冶金分技术委员会秘书处工作，是国际标准化组织ISO/TC17（钢）的国内技术对口单位，同时还负责国际标准化组织ISO/TC47（化学）部分领域的国内技术归口。信息标准院在炭素材料标准化领域具有深厚的研究积累和工作基础。该院先后主持或参与制修订了《炭素材料术语》《石墨电极》《炭素材料耐腐蚀性能试验方法》《锂离子电池负极材料》等数十项炭材料领域的国家标准和行业标准，构建了覆盖炭素原料、炭素制品、测试方法、安全环保等环节的较为完整的炭素标准体系。在膨胀率测定标准的编制过程中，信息标准院充分发挥其标准化技术归口的组织协调优势，牵头开展了国内外相关标准资料的收集与对比分析工作，组织了多轮次的试验验证和专家研讨，为标准技术指标的确定和试验方法的优化提供了关键的技术支撑。此外，中国平煤神马集团开封炭素有限公司、方大炭素新材料科技股份有限公司、中钢集团新型石墨材料研究院等炭材料行业骨干企业作为主要参编单位，在标准编制过程中提供了大量生产实践数据和试验验证样品。清华大学、湖南大学等高等院校的相关研究团队参与了标准技术内容的论证和试验方法的研究工作，为标准中关键参数的确定提供了理论支撑。五、标准实施的意义与展望5.1标准实施的意义GB/T44027.2-2024的发布与实施，对我国炭材料领域具有多方面的重要意义：（1）填补了国家标准空白。该标准是我国炭材料膨胀率测定领域的首项国家标准，填补了该技术领域的标准空白，使炭材料膨胀率的测定从此有据可依、有章可循。（2）统一了测试技术口径。标准对测试条件、试样要求、操作步骤和结果处理等进行了全面规范，消除了以往因方法不一而导致的测试结果差异，显著提高了不同实验室之间测试数据的可比性和互认性。（3）提升了产品质量评价水平。膨胀率作为炭材料关键性能指标之一，其准确测定直接关系到产品质量判定、工艺优化和工程应用选材。本标准的实施将为产品质量评价提供更加可靠的技术依据，促进企业改进生产工艺、提升产品品质。（4）支撑了国际贸易与交流。该标准在技术内容上充分参考了ISO和ASTM等国际先进标准，并结合我国产业实际进行了优化完善，有利于我国炭材料产品在国际贸易中的技术互认和市场竞争。5.2未来展望随着炭材料在新能源、半导体、航空航天等战略性新兴领域的应用不断深化，对材料性能测试方法的标准需求将持续增长。未来，应持续推进炭材料测定方法系列标准的制修订工作，重点加强以下几个方向的研究：（1）拓展标准适用范围，研究开发适用于各向异性炭材料、纳米炭材料及炭基复合材料等新型炭材料膨胀行为的测定方法；（2）加强在线、原位、非接触式测量新技术在膨胀率测定中的应用研究，提升测试效率和测量精度；（3）推进该标准与国际标准的对接与互认，争取在ISO框架内提出相应的国际标准提案，增强我国在炭材料国际标准化领域的话语权；（4）加大标准宣贯和培训力度，推动标准在行业内得到更广泛的应用，确保标准实施效果。六、结论本报告系统论述了GB/T44027.2-2024《炭材料测定方法第2部分：膨胀率的测定》国家标准的立项背景、编制过程、主要技术内容、参编单位情况及实施意义。该标准是在我国炭材料产业快速发展和标准化需求日益迫切的背景下制定的，其发布填补了我国在该领域的标准空白，统一了炭材料膨胀率测定的技术方法和操作规范，对于完善我国炭材料标准体系、提升产品质量评价能力、促进国际贸易和技术交流具有深远影响。标准的实施将为炭材料行业的技术进步和产业升级提供有力的技术支撑，同时也为我国参与国际标准竞争、掌握国际话语权奠定了坚实基础。今后，随着该标准的深入实施和炭材料技术的不断发展，其内容将持续得到修订和完善，以更好地适应和引领产业发展需求。在全行业的共同努力下，我国炭材料标准化工作必将迈上新台阶，为制造强国和质量强国建设贡献更大的力量。参考文献[1]GB/T44027.2-2024，炭材料测定方法第2部分：膨胀率的测定[S].北京：中国标准出版社，2024.[2]全国钢标准化技术委员会.炭材料测定方法第2部分：膨胀率的测定（编制说明）[Z].2023.[3]ISO14420:2005，Carbonaceousmaterials—Determinationoftheexpansionofcarbonaceousproducts[S].Gen