蜂窩復(fù)合板導(dǎo)熱系數(shù)測試裝置及方法

王毅，薛敏毅，王崇良，劉俊耀

（中國航天科工集團(tuán)第六研究院二一0研究所，陜西西安710065）

蜂窩復(fù)合板導(dǎo)熱系數(shù)測試裝置及方法

王毅，薛敏毅，王崇良，劉俊耀

（中國航天科工集團(tuán)第六研究院二一0研究所，陜西西安710065）

根據(jù)傳熱學(xué)定義，并結(jié)合實(shí)際案例，設(shè)計(jì)出常溫下測試蜂窩復(fù)合板導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，通過標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，分析得出該方法與物理模型的吻合度好，測試的數(shù)據(jù)精確，從而解決蜂窩復(fù)合板在常溫下熱傳導(dǎo)系數(shù)測試的難題，為蜂窩復(fù)合板的保溫設(shè)計(jì)提供了定量計(jì)算方法。

蜂窩；復(fù)合板；導(dǎo)熱

由于蜂窩復(fù)合板兼具優(yōu)良的隔熱性能和機(jī)械剛度，被廣泛應(yīng)用在各種保溫隔熱場合（如建筑、方艙、航空航天等領(lǐng)域）。然而，由于缺乏蜂窩復(fù)合板的具體導(dǎo)熱參數(shù)，在工程應(yīng)用上往往靠設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估計(jì)，缺乏科學(xué)的數(shù)據(jù)支持，嚴(yán)重阻礙了蜂窩復(fù)合板的使用領(lǐng)域。且工程師們在設(shè)計(jì)時為了穩(wěn)妥起見，往往留的富余量較大，不僅造成了大量的材料資源浪費(fèi)，也增加了產(chǎn)品自身的重量。資料顯示，許多研究人員正在努力的研究解決方法，截止目前，提出的一些在高溫狀態(tài)下（200℃以上）測試蜂窩復(fù)合板導(dǎo)熱系數(shù)的方法，這對于現(xiàn)實(shí)的工程領(lǐng)域來講沒有意義，測出的結(jié)果只能用于參考而已。本文提出了在常溫下測試蜂窩復(fù)合板導(dǎo)熱系數(shù)方法。結(jié)果表明：該方法與物理模型的吻合度好，數(shù)據(jù)精確，填補(bǔ)該項(xiàng)領(lǐng)域的空白。

現(xiàn)有的導(dǎo)熱系數(shù)測試按測量方法分為兩大類，即非穩(wěn)態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法。非穩(wěn)態(tài)法根據(jù)工作原理又分為：熱線法、激光閃射法和平面熱源法三種，此三種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是，耗時短，僅幾秒鐘就可得到結(jié)果，且對試樣大小沒有要求，因此獲得了廣泛應(yīng)用[1]。

由于非穩(wěn)態(tài)法的測量過程需通過材料的密度或比熱獲取或通過計(jì)算得出導(dǎo)熱系數(shù)。因此該法只適用于密度均勻的材質(zhì)，而蜂窩復(fù)合板這類材料，是由氣體和固體組合而成，固體中既含有金屬又含有非金屬，它們的密度和比熱差異巨大，因此所有非穩(wěn)態(tài)法均不適用于蜂窩復(fù)合板這類材料。穩(wěn)態(tài)法的測試方法主要為保護(hù)平板法，原理如圖1所示：將厚度一定的方形試樣3（通常長寬各30 cm，厚10 cm）插入于加熱板1和冷板5，設(shè)置一定的溫度梯度。使用校正過的熱流傳感器2、4測量通過樣品的熱流，傳感器2、4在平板與樣品之間和樣品接觸。測量樣品厚度、溫度梯度與通過樣品的熱流便可計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。而蜂窩芯復(fù)合板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如圖2所示。由于內(nèi)外蒙皮大多為金屬材料6，即熱的良導(dǎo)體，導(dǎo)熱性能良好，而芯層一般由熱的絕緣材料7組成，兩者的導(dǎo)熱性能相差數(shù)萬倍，導(dǎo)致加熱板1產(chǎn)生的熱量幾乎全部沿蒙皮散掉，沒有穩(wěn)定的熱流穿過試樣，位于冷板5上的傳感器4當(dāng)然也測不到熱流，因此，平板法也不適用于測量蜂窩芯的導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)踐中，測出的數(shù)據(jù)離散很大，相差數(shù)千倍[2]。

圖1 平板法測試原理圖

圖2 蜂窩芯復(fù)合板結(jié)構(gòu)

1 導(dǎo)熱系數(shù)的測試?yán)碚?/h2>

式中：Q穩(wěn)態(tài)時通過試樣有效傳熱面積的熱量（J）；t牛頓時間（s）；λ導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·K））；S截面面積（m2）；T該點(diǎn)所取垂直面上的溫度（℃）；l試樣厚度（m）。

比例因子λ又稱為導(dǎo)熱率，也稱導(dǎo)熱系數(shù)。

平板導(dǎo)熱儀使熱流以單向穩(wěn)定狀態(tài)傳遞的條件下工作的。因此，熱流速率為一恒值，溫度梯度，此時方程（1）可表示為

式中：△T該點(diǎn)所取垂直面上的溫度差（℃）；△l該點(diǎn)所取垂直面上的厚度差（m）。

將已知厚度為l的試樣置于試驗(yàn)裝置內(nèi)，使其熱面和冷面之間保持一個恒定溫差，熱流從熱面通過試樣流至冷面后，被量熱器中的冷卻水吸走。根據(jù)在單位時間內(nèi)流經(jīng)中心量熱器的水的溫升和水流量可計(jì)算出冷卻水所吸收的熱量。

由式（2）可得：

式中：T1試樣熱面的溫度（℃）；T2試樣冷面的溫度（℃）。

2 測試裝置及方法介紹

首先用10～25 mm厚的5塊木板，制成一個無蓋的箱體6，如圖3所示，箱體的內(nèi)壁襯墊7用絕熱材料如加入阻燃劑的聚氨酯泡沫材料制作，襯墊厚度大于200 mm，5塊襯墊之間形成的縫隙用密封膠8密封，箱體內(nèi)部空間尺寸為（a×a×c）mm，箱內(nèi)底部中間安置一電熱器11，電熱器11功率W固定，另在箱體內(nèi)部每個側(cè)板中心設(shè)置一溫度傳感器10，感應(yīng)頭距側(cè)壁90～100 mm，測量箱內(nèi)溫度Ti，箱內(nèi)的溫度Ti由四個溫度傳感器10的測量值的平均值代替，同時，在測試環(huán)境也設(shè)置一溫度計(jì)13測試環(huán)境溫度To，四個傳感器和電熱器的導(dǎo)線通過箱底的轉(zhuǎn)接板12導(dǎo)出箱外，分別與箱外的電源14和溫度顯示儀表15相連。

圖3 測試工裝圖

試樣要求：圖4是測試測試試樣16的形狀和尺寸，即將需要測試導(dǎo)熱系數(shù)的試樣按圖3制作。測試時，首先，用墊木9將箱體墊離地面超過100 mm，將試樣16作為箱體6的蓋子蓋在箱體6的上面，再用膠帶17密封，如圖5.

圖4 測試用試樣圖

圖5 測試過程圖

測試過程：接通電源，一般0.5 h后，溫度就會平衡，判斷平衡的條件是：當(dāng)儀表15顯示的溫度在平衡后，持續(xù)30 min仍保持不變時，就認(rèn)為箱體內(nèi)外已經(jīng)達(dá)到平衡，記錄此時溫度。并按下述公式（4）計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)λ.公式（4）是公式（3）的變形，公式（4）中用電熱器11的功率W代替公式（3）中的Q，試樣熱面的溫度公式T1用箱內(nèi)溫度Ti代替，試樣冷面的溫度T2用測試環(huán)境溫度To代替：

式中：W電熱器功率，小于500 W；l蜂窩芯試樣厚度，小于0.02 m；S蜂窩芯試樣有效散熱面（m2）；

式中：a為蜂窩芯試樣有效邊長；Ti為測試箱內(nèi)溫度（℃）；

式中t1、t2、t3、t4分別為箱內(nèi)四個溫度傳感器測出的溫度（℃）；To測試環(huán)境溫度（℃）.

3 測量的精度分析

利用本文提出的蜂窩復(fù)合板導(dǎo)熱系數(shù)測試裝置及方法，解決了蜂窩芯復(fù)合板導(dǎo)熱系數(shù)不可測的難題。

本案中，由于用加熱器功率W，代替了試樣的散熱量Q，忽略了工裝的散熱Qg，而實(shí)際上為W=Q+Qg，因此，產(chǎn)生一定的測量誤差。下面分析一下，忽略掉Qg，對測試結(jié)果的影響，本案中，工裝的厚度g=220，樣件的厚度僅20 mm，工裝的散熱面積Sg=2.2 m2，樣件為1 m2，選取工裝材料的導(dǎo)熱系數(shù)g大于蜂窩復(fù)合板材料的2倍。從公式（2）知道：散熱量與厚度成反比，與散熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)成正比。因此，Qg：Q＜即該專利測試的導(dǎo)熱系數(shù)，誤差小于10%.

4 實(shí)例

圖3為實(shí)施案例中，試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)與尺寸，圖4為蜂窩芯試樣的結(jié)構(gòu)與尺寸，從圖中可知：試樣厚度l為0.02 m，截面S為1 m2.本案中加熱器功率W=100 W，將以上數(shù)據(jù)代入（4）式，得到本案例中，導(dǎo)熱系數(shù)λ的計(jì)算公式為：

案例：鋁箔蜂窩芯復(fù)合板的導(dǎo)熱系數(shù)測量

蜂窩復(fù)合板的材料組成：芯層由鋁箔制成的蜂窩板，兩側(cè)蒙皮分別為防銹鋁板和玻璃鋼纖維板。將其按圖4尺寸制成試樣，安裝在圖3所示的工裝上，接通電源30 min后，安置在封閉箱內(nèi)的4個溫度傳感器感應(yīng)溫度保持穩(wěn)定，分別是：

t1=34.876℃，t2=34.878℃，

t3=34.877℃，t4=34.878℃.此時的環(huán)境溫度：

To=22℃

由式（6）得：

Ti=（34.876+34.878+34.877+34.878）/4 =34.877℃

由式（7）算得導(dǎo)熱系數(shù)為：

結(jié)論：鋁箔蜂窩芯復(fù)合板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.1553 W/（m·K），誤差不超過10%.

5 結(jié)束語

本文根據(jù)傳熱學(xué)定義設(shè)計(jì)出蜂窩復(fù)合板的熱傳導(dǎo)系數(shù)測試裝置和方法，解決了在常溫下蜂窩復(fù)合板的熱傳導(dǎo)系數(shù)測試難題，通過上面詳細(xì)的說明和案例的例舉，期望以上的說明能夠給后續(xù)設(shè)計(jì)人員的工作提供參考。

[1]張二亮.復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)減重優(yōu)化與瞬態(tài)傳熱分析方法[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[2]解維華.蜂窩芯板有效熱導(dǎo)率的數(shù)值預(yù)報(bào)與實(shí)驗(yàn)測試[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（5）：787-789.

Thermal Conductivity Coefficient Test Device and Method for Honeycomb Composite Board

WANG Yi，XUE Min-yi，WANG Chong-liang，LIU Jun-yao
（The 210th Institute of the Sixth Academy of CASIC，Xi’an Shaanxi 710065，China）

According to the definition of heat transfer，and combining with actual cases，a temperature test in the design of cellular composite board device，thermal conductivity by standard test methods，analysis the method and the physical model of alignment，test data accurate，so as to solve heat conduction coefficient of honeycomb composite board in room temperature test problem，for the insulation design of honeycomb composite board provides a quantitative calculation method.

honey comb；composite board；thermal conductivity

TB33

：A

：1672-545X（2017）01-0135-04

2016-10-17

王毅（1984-），男，甘肅白銀人，工程師，本科，從事產(chǎn)品結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)。