金屬橡膠熱物理性能理論與試驗研究*

馬艷紅 仝小龍 朱彬 張大義? 洪杰

1)(北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,北京 100191)

2)(中航商用發(fā)動機有限責(zé)任公司,上海 200241)

(2012年6月10日收到;2012年9月10日收到修改稿)

1 引言

金屬橡膠材料是將金屬絲卷成螺旋形,經(jīng)過拉伸、編織、模壓成型制得的彈性多孔材料,其密度小、比強度高,具有極好的力學(xué)性能、熱機械性能、隔熱性能、可塑性和環(huán)境適用性,廣泛應(yīng)用于機械設(shè)備中的高溫、高壓、腐蝕性介質(zhì)及劇烈振動環(huán)境下的阻尼減振、熱防護及降噪等領(lǐng)域[1?3].

目前大多數(shù)學(xué)者的研究都集中在金屬橡膠的力學(xué)性能上,并取得了顯著的成果,逐步形成了力學(xué)性能的設(shè)計技術(shù)[4?6];而熱物理方面僅有極少的研究資料,且均為試驗研究[7],尚未建立適用于分析其熱物理性能的理論模型.金屬橡膠熱膨脹性能和熱傳導(dǎo)性能是衡量其長期工作在熱循環(huán)載荷環(huán)境下的穩(wěn)定性以及評價隔熱效果的兩大重要參數(shù),因此開展對其熱物理性能的研究,是將金屬橡膠材料應(yīng)用于惡劣環(huán)境下的熱防護領(lǐng)域中不可缺少的基礎(chǔ)理論工作.

金屬橡膠一方面可看作是一種由金屬絲和空氣組成的兩相多孔材料,另一方面其編織工藝又類似于編織型復(fù)合材料,其熱物理熱性與多孔材料和復(fù)合材料具有一定的相似性.由于多孔材料的熱膨脹性能與組成材料自身的熱學(xué)性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式以及剛度分布等密切相關(guān),目前還沒有建立較為完善的多孔材料熱膨脹模型,多用試驗來分析其熱膨脹性能.編織型復(fù)合材料的熱膨脹性能研究目前比較成熟,常用的混合定律[8]、Schapery模型[9]等在一定程度上都能較為準(zhǔn)確地描述編織型復(fù)合材料的熱膨脹性能.對材料熱傳導(dǎo)性能的研究大多以傅里葉定律為基礎(chǔ),采用熱電比擬法[10]和有限元法[11,12]等,根據(jù)比等效相同法則從細觀到宏觀進行研究.

金屬橡膠的熱膨脹和熱傳導(dǎo)性能受金屬絲螺旋卷的排列和孔隙分布的影響很大,而這兩相的組成形式相當(dāng)復(fù)雜,這給理論上研究金屬橡膠的熱膨脹行為和熱傳導(dǎo)性能帶來一定的困難.本文以金屬橡膠材料內(nèi)部微元體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),利用熱膨脹理論和熱電比擬法,結(jié)合有限元法分析微元體結(jié)構(gòu)的熱膨脹和熱傳導(dǎo)性能.以金屬橡膠內(nèi)部微元體的接觸狀態(tài)為基礎(chǔ),分析不同接觸狀態(tài)下螺旋卷單元體的熱物理關(guān)系,結(jié)合Schapery模型和比等效相同法則,從而建立金屬橡膠材料的熱膨脹和熱傳導(dǎo)分析模型,并結(jié)合相關(guān)熱物理試驗,為金屬橡膠材料在熱防護領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論和試驗基礎(chǔ).

2 金屬橡膠微元體結(jié)構(gòu)

金屬橡膠加工成型后其內(nèi)部由金屬絲螺旋卷交錯而成,金屬絲螺旋卷的排列取向不規(guī)則.由于纏繞和編織等工藝,其內(nèi)部將有兩種最基本的排列形式:縱向和橫向螺旋卷排列(如圖1),兩者為金屬橡膠內(nèi)部基本微元體結(jié)構(gòu)[13],兩種微元體不同排列構(gòu)成了金屬橡膠的基本單元.金屬橡膠材料內(nèi)部橫向和縱向螺旋卷微元體之間包含空氣,因此從熱特性角度分析,金屬絲卷和空氣是組成金屬橡膠的兩種介質(zhì).因此針對微元體特殊的空間結(jié)構(gòu),合理地建立微元體熱膨脹和熱傳導(dǎo)模型是分析金屬橡膠材料宏觀熱性能的基礎(chǔ).下面將以建立微元體結(jié)構(gòu)與熱物理特性的關(guān)系方程為基礎(chǔ),建立細觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,從細觀結(jié)構(gòu)上闡明金屬橡膠材料熱物理性能的產(chǎn)生機理,進而建立相應(yīng)的熱物理模型.

圖1 螺旋卷單元結(jié)構(gòu)示意圖 (d S為金屬絲的絲徑(mm);D L為螺旋卷的直徑(mm);L J為螺旋卷的螺距(mm);α為螺旋卷軸線方向與載荷方向的夾角(rad))

3 金屬橡膠的熱膨脹性能研究

3.1 微元體結(jié)構(gòu)熱膨脹模型

首先采用有限元法對微元體結(jié)構(gòu)的熱膨脹行為進行分析,圖2所示為在受熱時縱向和橫向微元體的熱膨脹變形.由縱向和橫向微元體熱膨脹總變形可以看出,微元體受熱后,螺旋結(jié)構(gòu)形狀不變,微元體的熱變形變?yōu)樵诮孛娣ㄏ蛏媳焕?由于微元體特殊的螺旋結(jié)構(gòu),內(nèi)部的熱膨脹力都垂直于螺旋卷的截面,熱膨脹帶來的熱變形沿著螺旋卷旋向.因此縱向微元體熱變形主要來自于軸向方向變形,橫向微元體熱變形主要來自于徑向方向變形.

根據(jù)縱向和橫向微元體的結(jié)構(gòu)形式和熱膨脹沿各方向變形的分布情況,可認(rèn)為當(dāng)微元體結(jié)構(gòu)的溫度變化?T時,縱向微元體沿著軸向及橫向微元體沿著徑向的熱變形為

圖2 縱向和橫向排列螺旋卷熱膨脹總變形 (a)縱向;(b)徑向

式中aS為金屬絲材料的熱膨脹系數(shù)(10?6°C?1).

因此根據(jù)熱膨脹理論,縱向和橫向微元體在螺旋軸向和徑向的等效熱膨脹系數(shù)為

由(3)和(4)式,結(jié)合有限元的熱膨脹變形分析,得到兩種排列形式的微元體結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)均與金屬絲材料的相同,與螺旋卷的絲徑、螺旋徑、螺距以及排列形式無關(guān).

3.2 基本單元的熱膨脹模型

由上節(jié)的分析可知,如果將金屬橡膠材料同樣視為由螺旋卷構(gòu)成的連續(xù)均勻框架結(jié)構(gòu)材料,則可近似地認(rèn)為金屬橡膠的膨脹系數(shù)與金屬絲材料相同[14],即aMR=aS.實際上縱向和橫向微元體組成的基本單元相互接觸構(gòu)成了金屬橡膠的宏觀框架結(jié)構(gòu),因此分析孔隙對基本單元熱膨脹性能的影響成為揭示金屬橡膠熱膨脹機理的重要基礎(chǔ).

基本單元在成型壓力作用下存在三種接觸狀態(tài):未接觸、滑移接觸和擠壓接觸[13].圖3所示為加熱后未接觸和接觸狀態(tài)基本單元的熱膨脹變形.對于未接觸狀態(tài)的基本單元,由于縱向和橫向微元體之間軸向有間隙?,下端橫向螺旋卷的熱變形首先要抵消其間的間隙,因此微元體間熱變形相互不傳遞.對于接觸狀態(tài)的基本單元,此時兩微元體間由于接觸點的存在,橫向微元體的熱膨脹變形可以通過接觸點的作用傳遞到縱向的微元體上,兩者共同作用形成接觸狀態(tài)的熱膨脹變形.

圖3 未接觸和接觸狀態(tài)基本單元的熱膨脹變形 (a)未接觸狀態(tài);(b)接觸狀態(tài)

根據(jù)對未接觸和接觸狀態(tài)基本單元的結(jié)構(gòu)形式和熱膨脹的分析,結(jié)合微元體的熱變形公式,可知未接觸狀態(tài)基本單元后熱膨脹系數(shù)為

滑移接觸和擠壓接觸兩種接觸狀態(tài)基本單元的熱膨脹系數(shù)為

由上述熱膨脹系數(shù)公式可以看出,由于間隙的存在,未接觸狀態(tài)基本單元熱膨脹系數(shù)小于金屬絲材料本身,即a′＜aS.對于接觸狀態(tài)基本單元,其熱膨脹系數(shù)等同于金屬絲材料本身.

可見,對于金屬橡膠基本單元的熱膨脹來說,在未接觸狀態(tài)基本單元軸向間隙的存在使得軸向熱膨脹不能傳遞,導(dǎo)致金屬橡膠宏觀熱膨脹性能下降;而當(dāng)基本單元存在接觸點時,接觸狀態(tài)基本單元間的孔隙將不影響其熱膨脹性能.

3.3 金屬橡膠材料的宏觀熱膨脹模型

對于常用的編織型復(fù)合材料而言,其宏觀熱膨脹性能不僅與各組分材料的熱膨脹性能有關(guān),還與各組分的彈性性能相關(guān),Schapery模型[9]基于能量理論闡述了各組分之間熱膨脹的相互影響.根據(jù)金屬橡膠加工成型的方式可知,其由三種不同接觸狀態(tài)的螺旋卷基本單元按照一定的編織方式制作而成,類似于編織型復(fù)合材料.各接觸狀態(tài)單元體可看作為不同組分的材料,在不同相對密度下,在金屬橡膠內(nèi)部其各自的熱膨脹性能、體積分?jǐn)?shù)和彈性性能都不相同,對金屬橡膠材料宏觀熱膨脹的貢獻也不同.因此綜合考慮幾種接觸狀態(tài)之間的相互作用對金屬橡膠熱膨脹行為的影響,根據(jù)編織型復(fù)合材料熱膨脹性能常用預(yù)測模型—–Schapery模型對金屬橡膠的熱膨脹性能進行預(yù)測,得到金屬橡膠材料的熱膨脹系數(shù)aMR為

式中Ei為三種不同接觸狀態(tài)基本單元的等效彈性模量,其中 E′≈ 2.56E′≈ 0.59E′′[13];ni為不同相對密度下三種不同接觸狀態(tài)基本單元的體積分?jǐn)?shù).

由對金屬橡膠宏觀熱膨脹性能的分析可知,其不僅與不同接觸狀態(tài)基本單元自身的熱膨脹性能有關(guān),還與其體積分?jǐn)?shù)和彈性模量有關(guān).其中接觸狀態(tài)基本單元的熱膨脹系數(shù)和各基本單元彈性模量不受金屬橡膠材料參數(shù)的影響,而未接觸狀態(tài)基本單元的熱膨脹系數(shù)和各基本單元的體積分?jǐn)?shù)將直接受到相對密度的影響,這兩個參數(shù)的變化規(guī)律將成為衡量金屬橡膠熱膨脹性能的主要因素.

3.4 金屬橡膠熱膨脹系數(shù)性能試驗

試驗研究采用DIL402PC型熱膨脹儀對不同相對密度下的金屬橡膠材料進行熱膨脹性能測試,溫度范圍為 20°C—600°C,升溫速率為 2°C/min,如圖4所示.試驗中采用高純氬氣進行氣氛保護,利用計算機和智能儀表對溫度和熱變形量進行控制和測量記錄.根據(jù)B4339-84標(biāo)準(zhǔn)計算金屬橡膠的熱膨脹系數(shù)[15].

圖4 試驗儀器402-PC和熱膨脹試驗樣件

金屬橡膠材料采用圓柱體結(jié)構(gòu),金屬絲材料為GH4169,直徑為9.6 mm,高度為34—37 mm,具體樣件的材料參數(shù)見表1.

表1 金屬橡膠熱膨脹試驗樣件參數(shù)

圖5為不同相對密度下熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的曲線.不同相對密度下的金屬橡膠熱膨脹系數(shù)都隨溫度的升高而變大,但都比原金屬絲材料的熱膨脹系數(shù)小;并隨著相對密度的增加熱膨脹系數(shù)逐步變大,最后越來越接近金屬絲材料本身的熱膨脹系數(shù).當(dāng)溫度在100°C到大約300—400°C之間范圍內(nèi)時,金屬橡膠熱膨脹系數(shù)值隨溫度的升高急劇增加,并且為金屬絲材料熱膨脹系數(shù)的0.5—0.7.當(dāng)溫度在300—400°C以上,金屬橡膠的熱膨脹系數(shù)隨溫度升高的增大趨于平緩,并且為金屬絲材料熱膨脹系數(shù)的0.85—0.9.

圖5 不同相對密度下金屬橡膠熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

溫度較低時,金屬橡膠內(nèi)部主要以未接觸狀態(tài)的基本單元為主,即未接觸狀態(tài)的基本單元的體積分?jǐn)?shù)較大.根據(jù)(5)和(7)式,未接觸狀態(tài)基本單元的熱膨脹性能對金屬橡膠宏觀熱膨脹性能的影響起主要作用,因此溫度較低時明顯阻礙了金屬橡膠的熱膨脹.當(dāng)溫度逐漸升高時,微元體自身熱膨脹的變形開始逐步增加,熱變形填充了未接觸螺旋卷之間的孔隙,即未接觸的螺旋卷開始轉(zhuǎn)換為接觸狀態(tài)[10],接觸狀態(tài)的體積分?jǐn)?shù)開始增多.根據(jù)(6)和(7)式,未接觸狀態(tài)基本單元之間的間隙對宏觀熱膨脹變形的阻礙能力有限,金屬橡膠熱膨脹的變化趨勢開始和金屬絲材料一致,越來越接近金屬絲材料本身的熱膨脹系數(shù).隨著相對密度的增加,內(nèi)部未接觸的基本單元的體積分?jǐn)?shù)越來越少[10],其對金屬橡膠材料的熱膨脹抑制作用也降低,因此熱膨脹系數(shù)增大.

4 金屬橡膠材料的導(dǎo)熱性能研究

4.1 金屬橡膠的傳熱過程

金屬橡膠多孔介質(zhì)中含有氣體和金屬絲,其內(nèi)部的傳熱途徑主要有以下三種模式:相互接觸的金屬絲及空隙中氣體的導(dǎo)熱;空隙中氣體的對流換熱;金屬絲或氣體之間的輻射換熱,如圖6所示.

大量試驗研究和理論分析結(jié)果表明,當(dāng)多孔介質(zhì)中含濕量較低時,且內(nèi)部孔隙中流體處于靜止?fàn)顟B(tài)或流動甚微時,空隙中流體的對流換熱貢獻可忽略不計[16].而輻射換熱貢獻只是在溫度較高、且空隙為真空或由氣體占據(jù)時才比較明顯[17].鑒于金屬橡膠材料的傳熱過程非常復(fù)雜,為便于傳熱方程的聯(lián)立及求解,可把金屬橡膠的傳熱過程考慮成純導(dǎo)熱過程.對于金屬橡膠多孔材料的純導(dǎo)熱過程,一般包括:金屬絲的導(dǎo)熱過程;金屬橡膠中空氣和金屬絲與空氣之間的導(dǎo)熱過程;金屬絲之間存在接觸熱阻時的導(dǎo)熱過程.

圖6 金屬橡膠材料內(nèi)部傳熱過程

金屬橡膠內(nèi)部導(dǎo)熱過程非常復(fù)雜,很難求得導(dǎo)熱問題的解析解,因此有必要從內(nèi)部微元體熱導(dǎo)過程入手研究,建立導(dǎo)熱單元體.每個導(dǎo)熱單元體都是一個含有導(dǎo)熱金屬絲的立方體,根據(jù)比等效導(dǎo)熱系數(shù)法則,金屬橡膠材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)近似等于單元體的導(dǎo)熱系數(shù).

4.2 微元體結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱模型

金屬橡膠是一種多孔材料,內(nèi)部由金屬絲螺旋卷交錯而成,并且金屬絲螺旋卷始終貫穿于整個金屬橡膠之中,形成了各個方向的導(dǎo)熱網(wǎng)鏈.當(dāng)金屬橡膠的成型方向為熱流方向時,縱向微元體排列形式為螺旋卷的軸向方向與熱流方向平行,橫向微元體排列形式則為軸向方向與熱流方向垂直.

圖7(a)所示為采用有限元法[11]得到的縱向微元體和螺旋卷的熱流分布圖.由于螺旋卷微元體的特殊的螺旋上升卷結(jié)構(gòu),熱流進入縱向和橫向螺旋卷微元體后,與加載熱流方向成一定的角度,主要通道為沿著縱向螺旋卷中心線的切平面.

由此分析得到縱向微元體傳導(dǎo)形式和熱阻模型如圖7(b),(c)所示.根據(jù)傅里葉定律,縱向排列的螺旋卷等效熱阻為R1Vh,其為一根與熱流方向成一定角度的金屬絲的等效熱阻,因此通過縱向排列螺旋卷的熱流為

因此其在熱流方向的等效熱阻為

橫向排列螺旋卷中熱流的主要通道為兩個相互并聯(lián)的1/2橫向微元體,與加載的熱流方向成一定角度,如圖8所示.由此分析得到的縱向微元體的傳導(dǎo)形式和熱阻模型如圖8(b),(c)所示.根據(jù)(8)式,其在熱流方向的等效熱阻為

圖7 縱向排列微元體的熱傳導(dǎo)形式和熱阻模型 (a)熱流分布;(b)傳導(dǎo)形式;(c)熱阻模型

圖8 橫向排列微元體的熱傳導(dǎo)形式和熱阻模型 (a)熱流分布;(b)傳導(dǎo)形式;(c)熱阻模型

4.3 基本單元的導(dǎo)熱模型

對于金屬橡膠的導(dǎo)熱過程而言,不同接觸狀態(tài)下的微元體力學(xué)性能和熱膨脹性能不同,但是微元體之間具有相互串聯(lián)和并聯(lián)的關(guān)系,可以傳遞熱量,因此接觸狀態(tài)的不同并不影響熱量的傳遞.因此分析金屬橡膠的熱傳導(dǎo)過程時,可以把單位體積內(nèi)一定數(shù)量的螺旋卷看作為均勻的金屬橡膠導(dǎo)熱單元體,金屬橡膠考慮為由一系列導(dǎo)熱單元體(立方體)連接而成.由金屬橡膠毛坯的編織和模壓成型工藝可知,成型方向上毛坯的高度為成型后高度的r倍.金屬橡膠導(dǎo)熱單元體內(nèi)具有2r個螺旋卷,r個縱向排列微元體為串聯(lián)結(jié)構(gòu),而r個橫向排列微元體表現(xiàn)為并聯(lián)結(jié)構(gòu),見圖9.

因此在長度為DL的單位立方體內(nèi),根據(jù)(9)式可得導(dǎo)熱單元體內(nèi)串聯(lián)后的縱向螺旋卷在熱流方向的等效熱阻[10]為

式中δ=arctan(LJ/r/πD).

根據(jù)(10)式微元體內(nèi)縱向螺旋卷串聯(lián)結(jié)構(gòu)在熱流方向的等效熱阻為

空氣的等效熱阻為

λa為空氣的導(dǎo)熱系數(shù).

根據(jù)三部分熱阻的并聯(lián)關(guān)系,金屬橡膠導(dǎo)熱單元體在熱流方向上總等效熱阻為

因此單元體等效導(dǎo)熱系數(shù)λh為

圖9 單元體熱傳結(jié)構(gòu)示意圖和熱阻模型

4.4 金屬橡膠材料導(dǎo)熱模型

金屬橡膠螺旋卷的數(shù)量為在一定相對密度下在圖9中所示排列基礎(chǔ)上,按照成型方式成比例均勻地增加得到的螺旋卷數(shù)目,單位螺旋卷體積內(nèi),相對密度與金屬橡膠螺旋卷的幾何參數(shù)的關(guān)系可表示為

式中:ρMR為單位體積內(nèi)金屬橡膠的密度,ρS為金屬絲的密度,N為一定相對密度下螺旋卷微元體的數(shù)目.

一定相對密度的金屬橡膠模壓成型后,在單位體積內(nèi)由N/2r個微元體并聯(lián)而成.因此根據(jù)(15)和(16)式,金屬橡膠等效導(dǎo)熱系數(shù)λMR公式可表示為如下形式:

由(17)式可知,金屬橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)由金屬螺旋絲和空氣的熱導(dǎo)系數(shù)組合而成,其相互所占的比例與金屬橡膠的細觀結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)有關(guān),即與相對密度、螺旋絲卷直徑及金屬絲材料參數(shù)有關(guān).在金屬橡膠內(nèi)部螺旋卷微元體結(jié)構(gòu)形式不變的情況下,金屬橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)與相對密度和金屬絲材料的導(dǎo)熱系數(shù)成一次線性關(guān)系,微元體結(jié)構(gòu)參數(shù)將影響此線性關(guān)系的比例系數(shù).金屬絲材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)決定了金屬橡膠導(dǎo)熱系數(shù)的大致范圍;相對密度和微元體結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響使得導(dǎo)熱系數(shù)在這一范圍區(qū)間內(nèi)變化.

4.5 金屬橡膠導(dǎo)熱性能

采用了LFA427激光熱導(dǎo)測試儀測試不同相對密度的金屬橡膠材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律,試驗儀器和試驗件見圖10,金屬絲材料均為GH4169,厚度1.5 mm,直徑12.7 mm,樣件參數(shù)見表2.

表2 金屬橡膠導(dǎo)熱系數(shù)試驗件各項參數(shù)

圖11所示為不同溫度下采用理論模型分析以及試驗測試得到的金屬橡膠導(dǎo)熱系數(shù)和金屬絲材料本身導(dǎo)熱系數(shù)的對比,采用C-4試驗件.試驗結(jié)果與理論模型結(jié)果都表明金屬橡膠導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高成比例地增大.不同溫度下的試驗測量值稍小于理論分析值,誤差為15%以內(nèi).

圖10 LFA427試驗儀器和金屬橡膠樣件

圖11 金屬橡膠導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化

由金屬橡膠的受壓力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能分析可知,隨著溫度的升高,金屬橡膠內(nèi)部的螺旋卷接觸狀態(tài)發(fā)生變化,但是從理論公式(17)和試驗結(jié)果來看,金屬橡膠導(dǎo)熱系數(shù)的增大和金屬絲材料的導(dǎo)熱系數(shù)成正比,說明溫度升高導(dǎo)致接觸狀態(tài)的變化并不影響螺旋卷熱傳導(dǎo)過程,證明了模型中金屬橡膠材料內(nèi)部導(dǎo)熱單元均勻的熱傳導(dǎo)假設(shè)的正確性.

圖12所示為當(dāng)溫度低于80°C時,采用理論模型分析和試驗測量結(jié)果得到的金屬橡膠導(dǎo)熱系數(shù)隨相對密度的變化規(guī)律.理論和試驗結(jié)果均表明金屬橡膠的等效導(dǎo)熱系數(shù)隨相對密度的增加近似成線性增大,在此相對密度范圍內(nèi)誤差小于20%,相對于評定金屬橡膠導(dǎo)熱性能和金屬絲材料的導(dǎo)熱系數(shù)相比影響可以忽略.結(jié)合金屬橡膠導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度和相對密度的變化規(guī)律,可得相對密度在0.1—0.25區(qū)間內(nèi),金屬橡膠等效導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)于金屬絲材料的1%—3%.

相對密度增加時,金屬絲材料質(zhì)量增加,更多金屬絲參與導(dǎo)熱,由于金屬絲導(dǎo)熱系數(shù)遠大于空氣,因此根據(jù)(17)式金屬橡膠導(dǎo)熱系數(shù)近似線性增加.另一方面熱量自外傳入金屬橡膠進行熱傳導(dǎo),當(dāng)遇到金屬絲時,其導(dǎo)熱系數(shù)大,大部分熱量通過金屬絲傳遞,而小部分熱量則繞過金屬絲通過孔隙傳遞.由于內(nèi)部金屬絲含量較低,且螺旋卷結(jié)構(gòu)傳熱的路徑相對較長和復(fù)雜,導(dǎo)致金屬橡膠材料的導(dǎo)熱性能下降,根據(jù)(17)式

微元體特殊的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)導(dǎo)致金屬橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)遠小于絲材的熱導(dǎo)系數(shù)與相對密度的乘積,即λMR?ˉρλS.

圖12 金屬橡膠導(dǎo)熱系數(shù)隨相對密度的變化

5 結(jié)論

本文針對惡劣環(huán)境下金屬橡膠熱防護構(gòu)件的設(shè)計和熱穩(wěn)定問題,基于螺旋卷微元體結(jié)構(gòu),提出并建立了金屬橡膠的熱膨脹模型和熱傳導(dǎo)模型,并進行了試驗驗證,為金屬橡膠材料在高溫環(huán)境下的應(yīng)用及其在熱防護方面的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ).得到以下結(jié)論.

1)金屬橡膠的宏觀熱膨脹行為主要由相互接觸的螺旋卷單元體的細觀熱膨脹變形產(chǎn)生.未接觸狀態(tài)微元體間的間隙和接觸狀態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換,是金屬橡膠熱膨脹系數(shù)較低和隨相對密度變化的本質(zhì)原因.金屬橡膠內(nèi)部的孔隙只在溫度(小于大約300—400°C)較低時,對熱膨脹起到一定的阻礙作用.

2)金屬橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)由金屬絲和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)組合而成,二者的組成比例與微元體的細觀結(jié)構(gòu)和金屬橡膠的工藝參數(shù)有關(guān).較低的相對密度使得金屬橡膠內(nèi)部的金屬絲含量低;微元體特殊的螺旋結(jié)構(gòu)使得其導(dǎo)熱路徑較長和復(fù)雜,從而使金屬橡膠導(dǎo)熱性能下降.金屬橡膠導(dǎo)熱系數(shù)為金屬絲材料本身的1%—3%.

3)理論與試驗結(jié)果均證明了金屬橡膠材料熱膨脹系數(shù)低于金屬絲材料本身,并具有較低的導(dǎo)熱系數(shù),可作為一種良好的熱防護材料.本文的理論和試驗研究為金屬橡膠構(gòu)件在高溫、惡劣工程領(lǐng)域的阻尼/隔熱防護設(shè)計的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)和試驗依據(jù).

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