航天復(fù)合材料熱導(dǎo)率測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究

劉喆煒 徐紅艷 沈同俊

(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083)

1 引 言

在航天領(lǐng)域中，經(jīng)常使用玻璃纖維復(fù)合材料作低溫設(shè)備的隔熱支撐，既要保證衛(wèi)星發(fā)射時(shí)力學(xué)環(huán)境要求的剛度和強(qiáng)度，又要有良好的絕熱性能。但當(dāng)支撐件較大時(shí)，玻璃纖維復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度不足，需要在其中增加其它高剛度和高強(qiáng)度的高分子纖維，形成多組分復(fù)合材料，本實(shí)驗(yàn)采用玻璃纖維布中參雜碳纖維布方法。碳纖維復(fù)合材料雖然有足夠的剛度和強(qiáng)度，但熱導(dǎo)率較高，使復(fù)合材料整體熱導(dǎo)率升高。因此，以熱導(dǎo)率為代表的熱物性，是這種新型復(fù)合材料設(shè)計(jì)中不可缺少的數(shù)據(jù)。本文主要討論常溫下玻璃纖維布和碳纖維布的不同配比對(duì)熱導(dǎo)率的影響，并進(jìn)一步研究航天領(lǐng)域中的低溫應(yīng)用研究材料熱導(dǎo)率在低溫下隨溫度的變化情況。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

熱導(dǎo)率的測(cè)試方法有很多，本實(shí)驗(yàn)采用瞬態(tài)平面熱源法［1－3］，這種方法由 Gustafsson在1990年提出，是研究熱傳導(dǎo)性能中最精確、方便的一種。Hot disk熱常數(shù)分析儀就是基于此方法，測(cè)試儀器的實(shí)物如圖1所示，由測(cè)試主機(jī)，樣品臺(tái)和控制電腦組成。它主要是借由一個(gè)既是加熱元件又是溫度測(cè)量元件的特殊溫度傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，溫度變化是通過(guò)測(cè)量傳感器熱電阻的變化(或電壓變化)來(lái)獲得。溫度傳感器是一個(gè)平面探頭，結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是由金屬鎳經(jīng)刻蝕處理形成的連續(xù)雙螺旋結(jié)構(gòu)薄片。在探頭外，還添加一層厚度只有0.025 mm的聚酰亞胺保護(hù)層。

圖1 Hot disk熱常數(shù)分析儀Fig.1 Hot disk thermal constants analyser

圖2 探頭在待測(cè)材料間的安放位置Fig.2 Riding position of detector

測(cè)量時(shí)，將探頭放置于兩待測(cè)材料間，電流通過(guò)探頭時(shí)，產(chǎn)生一定的熱量，此熱量會(huì)往兩待測(cè)材料擴(kuò)散，擴(kuò)散的速度由待測(cè)材料的熱導(dǎo)率和探頭尺寸決定。通過(guò)記錄探頭電阻和時(shí)間的關(guān)系，材料的熱傳導(dǎo)性質(zhì)就可以被計(jì)算出來(lái)。試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整輸出功率和測(cè)試時(shí)間，使探測(cè)深度小于樣品厚度，溫度增加正常為0.3 K－5 K，特征時(shí)間在0.3－1之內(nèi)，從而使得平均偏差盡可能小，以此保證實(shí)驗(yàn)精度。

測(cè)量樣品室溫下的熱導(dǎo)率比較方便，測(cè)量低溫下的熱導(dǎo)率需要?jiǎng)?chuàng)造低溫環(huán)境。低溫環(huán)境由真空控溫系統(tǒng)提供，冷源由真空杜瓦中的液氮提供，杜瓦的底面與銅板連接，銅板上安裝樣品池。為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控溫，在樣品池上貼加熱片，周圍包多層隔熱組件。其它附件有鉑電阻、溫度測(cè)試儀和穩(wěn)壓電源，通過(guò)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的輸出功率可以實(shí)現(xiàn)控溫。

本次實(shí)驗(yàn)均采用5501探頭，探頭半徑為3.189 mm。每次測(cè)量在溫度穩(wěn)定半小時(shí)以上后進(jìn)行，以保證其溫度與環(huán)境溫度一致，不存在內(nèi)部溫度梯度。常溫復(fù)合材料樣品熱導(dǎo)率測(cè)量在22℃恒溫環(huán)境下進(jìn)行，每個(gè)樣品進(jìn)行兩次分隔和獨(dú)立的測(cè)量。低溫不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)樣品熱導(dǎo)率測(cè)量選取8個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行。低溫復(fù)合材料樣品熱導(dǎo)率測(cè)量從175 K開(kāi)始往下直到100 K，每隔25 K為一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，每個(gè)溫度測(cè)量3－5次，每次測(cè)量在溫度穩(wěn)定半小時(shí)以上后進(jìn)行。

圖3 低溫實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖Fig.3 Pictures of low temperature test device

2.2 樣品分類

試驗(yàn)樣品為玻璃纖維布(型號(hào)SW80b-90A)和碳纖維布(型號(hào)T300-3K)的混合鋪層。在5組玻璃纖維布中分別參雜不同層數(shù)的碳纖維布，樣品中碳纖維布含量依次增加，樣品厚度均為10 mm。具體分組如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣品分組Table 1 Grouping of samples

3 結(jié)果與討論

3.1 玻璃纖維和碳纖維的不同配比對(duì)熱導(dǎo)率的影響

玻璃纖維和碳纖維均為各向異性材料，但為了更直觀地比較玻璃纖維和碳纖維不同配比對(duì)熱導(dǎo)率的影響，把測(cè)試樣品看作一個(gè)整體，應(yīng)用各向同性模塊進(jìn)行測(cè)量。圖4是對(duì)5組玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行常溫實(shí)驗(yàn)后得出的熱導(dǎo)率示意圖?？梢钥闯?，在常溫下樣品熱導(dǎo)率隨著碳纖維布含量的增加而增加，熱導(dǎo)率與碳纖維布含量有一定比例關(guān)系。兩條曲線表示兩次獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，可以看出兩次測(cè)量的數(shù)據(jù)基本一致，實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性較好。

圖4 碳纖維含量對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響Fig.4 Effects of carbon fiber content on thermal conductivity of composite materials

3.2 低溫下復(fù)合材料熱導(dǎo)率隨溫度的變化

首先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)樣品(不銹鋼)熱導(dǎo)率低溫測(cè)量實(shí)驗(yàn)，將不銹鋼熱導(dǎo)率低溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與已有數(shù)據(jù)比較，以檢驗(yàn)所使用的低溫實(shí)驗(yàn)方法的可靠性，同時(shí)為低溫下復(fù)合材料熱導(dǎo)率測(cè)量實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。圖5是不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)樣品不同溫度下熱導(dǎo)率示意圖。可以看出，不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)樣品熱導(dǎo)率隨溫度下降呈近似線性下降趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與這種不銹鋼已有低溫?cái)?shù)據(jù)比較，符合得較好，可證明這種低溫實(shí)驗(yàn)方法是可靠的。

整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算每種樣品每個(gè)溫度下的平均熱導(dǎo)率，再根據(jù)整理后數(shù)據(jù)和常溫下已測(cè)得的熱導(dǎo)率分別做每種樣品的溫度－平均熱導(dǎo)率關(guān)系圖，如圖6所示。圖中5條曲線分別代表5組玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料平均熱導(dǎo)率隨溫度變化的趨勢(shì)，重點(diǎn)測(cè)量100 K－175 K之間的熱導(dǎo)率?？梢钥闯觯?80 K以下的低溫區(qū)，樣品熱導(dǎo)率均隨著溫度降低而近似線性減小;在相同溫度下，樣品熱導(dǎo)率均隨著碳纖維布含量的增加而增加，這與常溫下熱導(dǎo)率隨碳纖維布含量的變化趨勢(shì)是相同的。與不參雜的T300-3K碳纖維復(fù)合材料(常溫下8.50 W/m·K)相比，熱導(dǎo)率大大降低，而又可以保證一定的強(qiáng)度，該類復(fù)合材料可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用上對(duì)熱導(dǎo)率的要求，選擇合適的玻璃纖維和碳纖維配比，作為一種應(yīng)用于空間的絕熱介質(zhì)。

圖5 溫度對(duì)不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)樣品熱導(dǎo)率的影響Fig.5 Effects of temperature on thermal conductivity of stainless steel

圖6 溫度對(duì)不同復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響Fig.6 Effects of temperature on thermal conductivity of composite material

4 結(jié) 論

(1)常溫下，玻璃纖維－碳纖維復(fù)合材料的整體熱導(dǎo)率隨著碳纖維布含量的增加而升高。

(2)不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)樣品熱導(dǎo)率隨著溫度的降低呈近似線性下降，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與這種不銹鋼已有低溫?cái)?shù)據(jù)比較符合得較好，可證明這種低溫實(shí)驗(yàn)方法的可靠性。

(3)在100 K－175 K的低溫區(qū)，玻璃纖維－碳纖維復(fù)合材料熱導(dǎo)率隨著溫度降低而減小，在相同溫度下，復(fù)合材料熱導(dǎo)率隨著碳纖維布含量的增加而升高。

1 Gustafsson S E.Transient plane source techniques for thermal conductivity and thermal diffusivity measurement of solid materials［J］.Rev.Sci.Instrum.，1991，62(3):797-804.

2 Joshi G P，et al.Temperature dependence of effective thermal conductivity and effective thermal diffusivity of Ni-Zn ferrites［J］.Acta materialia，2003(51):2569-2576.

3 Log T，Gustafsson S E.Transient plane source(TPS)technique for measuring thermal transport properties of building materials［J］.Fire and Materials，1994，19(1):43-49.