碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒的軸向?qū)嵯禂?shù)測試

趙偉利，郭子學(xué)，冉 波，謝 慶

(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的物理量，是產(chǎn)品設(shè)計及應(yīng)用過程中必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1-4]。作為新材料的重要發(fā)展方向，碳纖維復(fù)合材料(CFRP)因具有比強度高、比模量高、可設(shè)計性優(yōu)良、抗疲勞性能好、阻尼減振性好等方面的優(yōu)勢，越來越受到人們的重視[5-8]。

碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒由碳纖維與樹脂基體復(fù)合纏繞而成，受碳纖維纏繞方向的影響，熱量沿順纖維方向和垂直纖維方向熱阻不同，導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料筒體徑向和軸向?qū)嵯禂?shù)存在較大差異。圓筒徑向?qū)嵯禂?shù)的測試有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試規(guī)范，但對于直徑較大、截面面積較小的碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒軸向?qū)嵯禂?shù)測試沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)[9-12]。

穩(wěn)態(tài)法作為導(dǎo)熱系數(shù)測試的基準(zhǔn)方法具備測試精度高、測量范圍廣的特點，本文基于傅里葉一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理，以平板材料導(dǎo)熱系數(shù)測試的國家標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒直徑較大、橫截面較小的特點設(shè)計專用的軸向?qū)嵯禂?shù)測試裝置。

1 測試原理

利用熱量沿筒體軸向的一維穩(wěn)態(tài)傳遞過程來測試碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒的軸向?qū)嵯禂?shù)，均勻分布在圓筒截面積上的熱量沿軸線形成穩(wěn)定傳遞時傳熱速率等于散熱速率[13]。根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律：

(1)

(2)

對于確定的圓筒試件，已知截面積S、測點距離l，在準(zhǔn)確測得通過壁面的熱量Φ以及試件軸向加熱端、散熱端溫度測點T1、T2后即可得到圓筒試件的軸向?qū)嵯禂?shù)kz。

2 測試裝置

通常待測試件的內(nèi)徑大于100 mm，截面厚度小于5 mm，對于該類大直徑、小截面的薄壁圓筒橫截面均勻加熱提出了較高的要求。測試原理基于沿圓筒軸向的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，因此最大限度減小圓筒表面與環(huán)境的熱輻射及熱對流是保證測試準(zhǔn)確度的關(guān)鍵技術(shù)。

基于測試原理及上述影響因素分析，建立了以對稱加熱的雙試件為測試主體，圓筒內(nèi)外進(jìn)行熱屏蔽防護、測試環(huán)境整體控溫的測試裝置，測試裝置如圖1所示。

圖1 測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

2.1 雙試件對稱加熱及溫度采集

由于待測碳纖維復(fù)合材料圓筒直徑較大、截面厚度較小，并且為符合不同的應(yīng)用要求直徑和厚度會在一定范圍內(nèi)調(diào)整，沒有可選購的用于該類截面加熱的環(huán)形加熱器。本文設(shè)計了一種專用環(huán)形加熱片，鎳鉻合金電阻溫度系數(shù)約100 ppm/℃，具有良好的熱穩(wěn)定性，采用直徑1.0～1.5 mm的鎳鉻合金絲盤繞成與待測試件截面尺寸相符的環(huán)形加熱片，如圖1所示的加熱器，該種類型的環(huán)形加熱片可隨待測試件截面尺寸而變化，具有較好的可設(shè)計性，是保證截面有效加熱的關(guān)鍵技術(shù)。

盡管通過設(shè)計專用的環(huán)形加熱片可實現(xiàn)對圓筒試件截面的有效加熱，但在加熱片某一面對試件截面加熱的同時，加熱片的另一面熱量將會傳遞到環(huán)境中，造成加熱量的大量損失，嚴(yán)重影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，為此提出了雙試件對稱加熱的方式。利用加熱片的兩面同時對兩個相同的圓筒截面進(jìn)行加熱，在計算時通過計算加熱片熱量在兩個試件的分配從而得到被測試件的軸向?qū)嵯禂?shù)。雙試件對稱加熱的設(shè)計方式為提高測試精度奠定了基礎(chǔ)，是該裝置設(shè)計的一項關(guān)鍵技術(shù)。

為保證環(huán)形加熱器工作的穩(wěn)定性及不同溫度下的碳纖維復(fù)合材料圓筒軸向?qū)嵯禂?shù)測試，采用單相穩(wěn)壓器及接觸式調(diào)壓器進(jìn)行輸入電壓的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)，采用高精度電表對環(huán)形加熱器的工作電壓、電流進(jìn)行采集。在每個試件的加熱端、中部及散熱端均勻布置3個4 mm2的薄膜鉑電阻進(jìn)行溫度測試并利用溫度巡檢儀對溫度測點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時為保證薄壁圓筒端部熱量向外界的有效傳遞，在雙試件端部增加了導(dǎo)熱性能良好的鋁環(huán)。

2.2 熱輻射防護

熱量通過碳纖維復(fù)合材料圓筒截面軸向傳遞時，將在圓筒內(nèi)外表面上形成一定的溫度分布，由于與環(huán)境溫度存在一定的溫差，將造成圓筒內(nèi)外表面與環(huán)境的輻射換熱，進(jìn)一步影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，為此根據(jù)圓筒尺寸設(shè)計了用于熱輻射防護的屏蔽罩。內(nèi)、外兩層的熱屏蔽罩為黑度系數(shù)0.01的鋁箔材料，距離薄壁圓筒試件內(nèi)、外壁的距離為5 mm，以盡可能減小薄壁圓筒表面輻射散熱對軸向熱傳導(dǎo)的影響，如圖1中所示的內(nèi)、外屏蔽罩。

2.3 熱對流控制

圖2 恒溫水套示意圖Fig.2 Schematic diagram of constant temperature set

為減小試件與周圍空氣的對流換熱，設(shè)計了恒溫水套裝置，如圖2所示。該裝置為雙層有機玻璃筒結(jié)構(gòu)，在外筒下部和上部分別設(shè)置進(jìn)水口和出水口，內(nèi)筒與外筒端部用有機玻璃板密封，形成水套結(jié)構(gòu)。測試時通過在內(nèi)、外筒之間通入恒溫水保證內(nèi)筒的測試空間溫度恒定以及內(nèi)筒空間空氣處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 試件選擇

由于試件直徑較大且截面積較小，為保證熱量沿軸向的有效傳遞盡可能減小因試件內(nèi)、外壁面輻射散熱對軸向熱傳導(dǎo)的影響，實際中圓筒試件與熱屏蔽罩距離為5 mm，可將其輻射換熱模型看作兩個無限大平板之間的輻射換熱，計算得到在圓筒試件長度小于25 mm時輻射換熱功率小于加熱功率的1%，因此選擇試件的長度為25 mm。

3 試驗裝置的可行性驗證

3.1 測試內(nèi)容

驗證測試是檢驗試驗裝置可行性及準(zhǔn)確度的重要手段。本文采用軸向?qū)嵯禂?shù)已知的鋁筒，通過調(diào)研文獻(xiàn)得到7系鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)約為186 W/(m·K)[14]。利用本試驗裝置對其進(jìn)行軸向?qū)嵯禂?shù)測定，與已知值進(jìn)行對比，以驗證本試驗裝置的可行性。

由于采用了雙試件裝置，因此測溫時需在兩段試樣表面分別布點，根據(jù)測試經(jīng)驗，在測溫時直接利用AB膠將鉑電阻貼片粘貼在試樣表面，并在粘貼好的鉑電阻背面覆蓋1層與其尺寸相當(dāng)?shù)匿X箔膠帶，以減小輻射換熱對溫度測量準(zhǔn)確度的影響。左段測點分別為1、2、3，右段測點為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，測試段的溫度測點分布如圖3所示。

圖3 試樣測試段溫度測點分布Fig.3 Distribution of temperature measurement point

測試準(zhǔn)備及測試過程中的主要操作為：1) 按照圖3所示完成薄膜鉑電阻貼片的布置，保證貼片緊密貼在試件表面不能留有空隙；2) 在環(huán)形加熱片的表面均勻涂抹高強度AB膠，將雙試件截面與環(huán)形加熱片粘結(jié)；3) 利用AB膠將散熱鋁環(huán)與雙試件的散熱端截面粘結(jié)，保證沒有間隙，以消除空氣熱阻；4) 安裝內(nèi)、外熱屏蔽罩，在各部分之間利用支撐架固定；5) 測試裝置固定于恒溫水套中，將加熱電源線及鉑電阻貼片引線連接到相應(yīng)的加熱電源及溫度巡檢儀上；6) 控制環(huán)境溫度，使之處于恒定；7) 調(diào)節(jié)加在加熱器的電壓，使得加熱溫度恒定在測量溫度區(qū)間內(nèi)；8) 各測點溫度在半小時內(nèi)變化不超過0.1 ℃時，記錄加熱器的電壓、電流以及各測點的溫度。

3.2 熱量分配

由于對稱加熱的雙試件在實際測試中溫度不完全一致，存在一定的熱量分布，假定從左段試件傳遞的熱量為Φ1，從右段試件傳遞的熱量為Φ2，軸向?qū)嵯禂?shù)的計算公式在兩段試件內(nèi)分別為：

(3)

(4)

式中：T3、T4分別為左段試件加熱端、散熱端的溫度；T5、T6分別為右段試件加熱端、散熱端的溫度。測量溫度范圍內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為定值(kz1=kz2)，而對于確定的試件S、l為定值，得到在左、右兩段試件上傳遞熱量的比例關(guān)系：

(5)

根據(jù)兩試件不同的溫度，即可得到熱量在兩試件上的分布，根據(jù)熱量的分布，并結(jié)合式(2)，得到鋁筒試件的軸向?qū)嵯禂?shù)為192.6 W/(m·K)，測試偏差為3.5%，該測試裝置可行性良好，具有較高的測試準(zhǔn)確性。

4 測試結(jié)果

測試試件為兩個內(nèi)徑175 mm、外徑182 mm、長度25 mm碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒，完成測試裝置的組裝后，將測試裝置置于恒溫水套的空腔中，恒溫水套通入20 ℃的恒溫水，以保證測試裝置良好的環(huán)境溫度，調(diào)節(jié)環(huán)形加熱器的電壓，使得加熱溫度恒定在測量溫度區(qū)間內(nèi)，各測點溫度在0.5 h內(nèi)變化不超過0.1 ℃時，記錄加熱器的電壓、電流以及各測點的溫度。

根據(jù)兩試件不同的溫度即可得到熱量在兩試件上的分布并結(jié)合式(2)，即可得到碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒的軸向?qū)嵯禂?shù)(表1)。

表1 碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒軸向?qū)嵯禂?shù)測試結(jié)果Table 1 Test result of axial thermal conductivityof carbon fiber composite thin-walled cylinder

5 誤差分析

由于試件側(cè)壁面積遠(yuǎn)大于截面積，試件側(cè)壁與屏蔽罩之間存在一定的輻射換熱，是可能影響測試結(jié)果的誤差來源，現(xiàn)以試件與屏蔽罩為對象進(jìn)行具體分析。由于試件與屏蔽罩之間的距離很小(5 mm)，因此可按無限長圓筒間的輻射換熱進(jìn)行計算，即角系數(shù)X1,2=1，此時試件與屏蔽罩之間的輻射換熱[15-16]為：

(6)

其中：Φ1,2為試件與屏蔽罩之間的輻射換熱量；ε1、A1分別為圓筒試件外壁的黑度系數(shù)和輻射面積；ε2、A2分別為屏蔽罩內(nèi)壁的黑度系數(shù)和輻射面積；T、T′分別為試件與屏蔽罩的溫度。

根據(jù)已知參數(shù)得到試件與屏蔽罩之間的傳熱量約占加熱功率的2%，溫度采集用的鉑電阻貼片與溫度巡檢儀進(jìn)行整體溫度校準(zhǔn)，在測試溫度區(qū)間內(nèi)誤差約為0.9%。結(jié)合上述試件與屏蔽罩輻射換熱以及溫度測試誤差的分析，得到該裝置在測試范圍內(nèi)的誤差約為2.9%。

6結(jié)論

1) 基于傅里葉一維穩(wěn)態(tài)傳熱原理，完成了碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒軸向?qū)嵯禂?shù)測試裝置的設(shè)計及平臺搭建，采用可設(shè)計性環(huán)形加熱片對兩試件進(jìn)行對稱加熱、設(shè)計熱屏蔽罩及恒溫水套裝置等關(guān)鍵技術(shù)解決了圓筒截面均勻加熱及有效傳導(dǎo)、熱輻射及熱對流熱量損失等重要問題，保證了較大直徑碳纖維復(fù)合材料圓筒的準(zhǔn)確測試。

2) 開展了不同加熱溫度試驗點的軸向?qū)嵯禂?shù)測試，得到了對應(yīng)的軸向?qū)嵯禂?shù)，并對主要影響因素進(jìn)行了誤差分析，得到了碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒的軸向?qū)嵯禂?shù)為(4.60±0.13) W/(m·K)，該測試裝置為后續(xù)不同尺寸及成型工藝碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒的軸向?qū)嵯禂?shù)測試奠定了基礎(chǔ)。