KYOWA KFHB 高温用箔式应变片（250 ºC）技术解析

摘要

KFHB是日本共和电业（KYOWA）推出的高温用箔式应变片系列，最高使用温度达250 ºC。该系列采用高耐热聚酰亚胺树脂基底与Ni-Cr系合金箔敏感栅的组合设计，在10～250 ºC范围内实现自动温度补偿，有效降低高温环境下的热输出误差。KFHB提供单轴（C1）和三轴0°/90°/45°（D25）两种栅型配置，涵盖120 Ω和350 Ω两种电阻规格，栅长从0.2 mm至5 mm共五档可选，并可根据被测材料线膨胀系数选择11、16、23三种补偿标号。配合PC-600或PI-32高温粘合剂，该系列可在-196～250 ºC的宽温域内稳定工作，适用于高温结构应力测试、材料性能评估及航空航天等领域的应变测量。本文从产品定位、材料设计、核心技术规格、自温度补偿原理、安装工艺、选型指南及典型应用等维度，对该系列进行系统技术解析。

1 产品定位与系列概览

KFHB系列是KYOWA高温箔式应变片产品线中的250 ºC等级产品，定位于需要在室温至250 ºC范围内进行静态或动态应变测量的应用场景。在KYOWA的高温应变片产品矩阵中，KFHB处于中等温度段：更低温度段有KFGS等通用型应变片，更高温度段则有KFU系列（约350 ºC）和KHC等点焊式高温应变片（可达500 ºC以上）。

KFHB的核心设计理念是在箔式应变片的成熟制造工艺基础上，通过材料选型和补偿技术实现高温环境下的可靠测量。其基底采用高耐热聚酰亚胺树脂，敏感栅采用Ni-Cr系合金箔，两者结合使应变片在250 ºC下仍能保持稳定的应变传递效率和电气性能。

2 材料设计与工作原理

2.1 基底材料

KFHB的基底采用高耐热性聚酰亚胺（Polyimide）树脂薄膜。聚酰亚胺分子链中的芳香环和酰亚胺环结构赋予其优异的热稳定性，在250 ºC下长期使用不会发生明显的热降解或力学性能劣化。该基底同时承担电气绝缘和应变传递的双重功能——在确保敏感栅与试件之间绝缘电阻满足测量要求的同时，将试件表面的应变高效传递至敏感栅。

2.2 敏感栅材料

敏感栅采用Ni-Cr系合金箔制造。Ni-Cr合金具有较高的电阻率和适中的电阻温度系数，其电阻-温度关系在宽温域内表现出良好的线性特征。相较于Cu-Ni系合金（康铜），Ni-Cr合金在高温下的抗氧化性和电阻稳定性更为优异，这是KFHB能够实现250 ºC高温测量的关键材料基础。同时，Ni-Cr合金箔的电阻温度系数经过配方优化后，可与聚酰亚胺基底的热膨胀行为形成匹配，从而降低热输出。

2.3 自温度补偿机制

KFHB具备10～250 ºC范围内的自温度补偿功能。其原理是：通过精确控制敏感栅合金的电阻温度系数，使其与基底-粘合剂-试件系统的热膨胀行为相互抵消。当环境温度变化时，敏感栅自身电阻随温度的变化量恰好与因试件热膨胀导致敏感栅产生的表观应变量相抵消，从而将表观应变控制在较低水平。

KFHB提供三种补偿标号：11、16、23，分别对应三种不同的适用线膨胀系数（×10⁻⁶/ºC）。用户需根据被测材料的线膨胀系数选择相应的补偿标号：

补偿标号选择正确时，在补偿温度范围内表观应变平均值可控制在±1.8×10⁻⁶应变量/ºC以内（代表值）。若补偿标号与被测材料不匹配，温度漂移将显著增大。

3 核心技术规格

KFHB系列的完整技术规格如下表所示：

应变系数在250 ºC时降至约1.9，与室温值2.0相比约有5%的衰减。这一变化在高精度测量中应予注意，可通过在测量系统中采用温度相关的应变系数修正来补偿。

4 型号体系与规格选型

4.1 型号命名规则

KFHB的型号编码遵循KYOWA的统一命名体系，以KFHB-5-120-C1-11为例：

4.2 单轴型（C1）规格

KFHB单轴型提供120 Ω和350 Ω两种电阻规格，栅长从0.2 mm至5 mm共五档可选：

350 Ω规格的栅长和基底尺寸与120 Ω版本略有不同，用户可参考KYOWA目录或产品数据页获取完整尺寸信息。

4.3 三轴型（D25）规格

KFHB还提供三轴0°/90°/45°平面配置（型号后缀D25）的应变花，用于需要同时测量三个方向应变的复杂应力场分析。典型型号如KFHB-1-120-D25，其敏感栅尺寸为1 × 1.5 mm，基底为直径φ8 mm的圆形聚酰亚胺基底，标称电阻120 Ω，采用三个敏感栅以0°/45°/90°方向布置，可测量主应力方向未知的平面应力状态。

4.4 导线配置

KFHB的导线采用氟化树脂涂层的高低温3线式电缆，工作温度范围为-196～250 ºC。提供多种长度规格：15 cm、30 cm、1 m、3 m、5 m。导线型号分为A型和F型两种：A型为氟化树脂涂层3线式电缆，F型为氟化树脂涂层3线式电缆（L-3），两者的导线部分均用玻璃纤维胶带进行绝缘和补强。

订购时需在型号名称末尾空开一个字符后加上导线代码。例如，KFHB-5-120-C1-11配5 m长3线式高低温氟化树脂线时，型号为KFHB-5-120-C1-11 A5M3。若未标注导线代码，则仅提供25 mm长的进阶丝线。

5 安装工艺与粘合剂选型

5.1 粘合剂选择

KFHB的使用温度范围高度依赖于所选粘合剂的固化后耐温性能。KYOWA推荐以下三种粘合剂：

PC-600适用于从低温到中高温的广泛测量场景，固化条件相对温和。PI-32则专为高温应变测量设计，其固化过程需要在100 ºC下加压1小时、200 ºC下加压2小时，随后在使用温度下无压加热2小时；若难以加热至200 ºC，可将“200 ºC下2小时"改为“160 ºC下5小时"，其余条件不变。选择PI-32时需确保固化温度不超过被测构件的耐温极限。

5.2 安装工艺要点

KFHB的安装需遵循标准应变片粘贴工艺，并针对高温应用做特殊处理：

表面处理：安装前需清理被测表面，去除油污和氧化层，确保应变片与构件紧密贴合。对于高温应用，建议在打磨后使用专用表面处理剂进行清洁。

粘贴与固化：使用PC-600或PI-32粘合剂，按照对应固化条件完成粘贴。固化过程中的加压有助于排除粘合剂层中的气泡，提高应变传递效率。

导线固定：导线部分需用玻璃纤维胶带进行绝缘和补强固定，避免高温环境下导线松动引入测量噪声。

防护处理：对于高温高湿或腐蚀性环境，建议对应变片和导线进行额外的防护处理。

6 典型应用场景

KFHB的250 ºC高温能力和自温度补偿特性使其适用于以下典型场景：

高温结构应力测试：在热力管道、锅炉、热交换器等高温运行设备的结构应力监测中，KFHB可直接粘贴于被测构件表面，在10～250 ºC的工作温度范围内持续采集应变数据。KYOWA将高温应变片的典型应用列为燃气轮机叶片、航空发动机涡轮、预热器与热处理炉、石化反应器及耐热合金等物理性能的掌握。

材料高温性能评估：在耐热合金、陶瓷基复合材料等新材料的高温力学性能测试中，KFHB可用于测量试件在高温加载条件下的应变响应。0.2 mm至1 mm的短栅长规格特别适合应变梯度较大的区域。

汽车与航空发动机测试：在发动机零部件的高温疲劳和蠕变试验中，KFHB的250 ºC能力覆盖了多数发动机外围部件的工作温度范围。对于更高温度区域（如涡轮叶片本体），则需要选用KHC等点焊式高温应变片。

热循环与热冲击测试：在需要经历多次热循环的试验中，KFHB的自温度补偿功能和稳定的基底材料能够保证多次循环后测量数据的可重复性。

7 选型指南

7.1 关键选型步骤

第一步：确认温度范围。KFHB的使用温度上限由粘合剂决定——PC-600或PI-32为250 ºC，EP-34B为200 ºC。若实际工作温度超过250 ºC，应考虑KFU系列或其他高温应变片类型。

第二步：匹配补偿标号。根据被测材料的线膨胀系数选择11、16或23。补偿标号选择不当将导致显著的测量误差。若被测材料为未知合金或复合材料，建议先进行热输出试验确定最佳补偿标号。

第三步：选择栅长。栅长选择需综合考虑以下因素：应变梯度较大的区域应选择较短栅长（0.2～1 mm）；表面粗糙或存在微裂纹的材料宜选用较长栅长（2～5 mm）以获得平均应变；动态测量中，栅长应远小于应变波波长。

第四步：确定电阻值。120 Ω为通用规格，适用于多数应变采集系统；350 Ω在长导线传输时具有更好的信噪比，适合导线长度较大的应用。

第五步：选择导线配置。根据应变片到采集仪之间的距离选择导线长度（15 cm～5 m），导线过长时应注意引线电阻对电桥平衡的影响。

第六步：选择粘合剂。根据实际工作温度上限和固化条件选择PC-600、PI-32或EP-34B。

7.2 使用时间注意事项

KFHB在不同温度下的推荐连续使用时间存在差异。型号后部编号为11的应变片在250 ºC下可使用24小时，在200 ºC下可使用120小时；后部编号为16和23的应变片在250 ºC下推荐使用12小时，200 ºC下为120小时。这些时间限制反映了长期高温暴露可能导致粘合剂层性能逐渐衰减、基底材料蠕变以及敏感栅合金电阻漂移的综合效应。对于需要数百小时连续监测的长期应用，应评估在目标温度下使用时间衰减后测量精度的可接受性，或选用更高温度等级的应变片以降低工作温度与额定温度之间的比率。