隔熱材料在航空電子設(shè)備中的應(yīng)用

周 堯，吳 波，汪 楊，董進(jìn)喜，趙 航

（西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710119）

0 引 言

飛機(jī)高速飛行時，由于蒙皮受氣動加熱作用以及發(fā)動機(jī)發(fā)熱的影響，發(fā)動機(jī)艙溫度將急劇升高[1-2]。為了對發(fā)動機(jī)進(jìn)行控制和監(jiān)測，發(fā)動機(jī)安裝有大量電子設(shè)備，這些電子設(shè)備面臨發(fā)動機(jī)艙惡劣的高溫環(huán)境。由于大部分電子元器件只能在125 ℃以下的溫度工作，過高的溫度會導(dǎo)致電子元件失效[3-6]。為了確保發(fā)動機(jī)艙電子設(shè)備處于合適的溫度范圍，需要使用隔熱材料阻隔環(huán)境熱量傳遞至電子設(shè)備內(nèi)部。

發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空間狹小，溫度梯度大；發(fā)動機(jī)連續(xù)工作時間長達(dá)數(shù)十分鐘；發(fā)動機(jī)工作過程中存在強烈的機(jī)械振動，這些都對隔熱材料性能提出了嚴(yán)苛的要求。

1 隔熱材料種類和特性

航空航天領(lǐng)域使用的隔熱材料可分為燒蝕類和非燒蝕類[7]。燒蝕類隔熱材料是以消耗物質(zhì)來阻隔熱量傳遞的積極防熱材料，包括有機(jī)材料或玻璃/酚醛、碳/酚醛、玻璃/有機(jī)硅樹脂等復(fù)合材料，其優(yōu)點是安全、可靠，隔熱性能好，能適應(yīng)流場變化。對于航空電子設(shè)備使用的隔熱材料，要求性能穩(wěn)定且能夠反復(fù)使用，因而燒蝕隔熱材料不適合于航空電子設(shè)備使用。

非燒蝕類隔熱材料包括：纖維類隔熱材料，如陶瓷纖維、玻璃纖維、巖棉制品等[8-10]；多孔隔熱材料，如硅酸鈣制品、膨脹珍珠巖、蛭石等；泡沫隔熱材料，如聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、聚酰亞胺泡沫等；氣凝膠隔熱材料，如氧化硅氣凝膠、有機(jī)氣凝膠等。

纖維類隔熱材料通常為柔性材料，具有重量輕、安裝靈活等優(yōu)點，并且導(dǎo)熱率相對較低，但這類材料幾何形狀難以保持穩(wěn)定、機(jī)械加工工藝性差，因而通常使用這類材料對電子設(shè)備進(jìn)行包裹，適合空間較大、尺寸精度要求低的場合使用。多孔隔熱材料導(dǎo)熱率相對較高、機(jī)械加工工藝性差、強度較低，不適合在電子設(shè)備上應(yīng)用。泡沫隔熱材料由聚合物材料經(jīng)發(fā)泡形成。聚氨酯泡沫孔隙率在95 %以上，抗壓強度為0.196 MPa，導(dǎo)熱率低于0.04 W/m·K，吸水率低、耐老化；酚醛泡沫隔熱材料導(dǎo)熱率低于0.04 W/m·K，但其脆性強、加工性較差，容易碎裂掉渣。聚酰亞胺泡沫是綜合性能較為優(yōu)異的一種泡沫材料，具有阻燃密度低、柔性好、不掉渣、耐振動沖擊、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，可對其進(jìn)行封裝包裹后在電子設(shè)備上應(yīng)用。氣凝膠材料是一種固相多孔納米網(wǎng)格非晶態(tài)功能材料，具有輕質(zhì)、高比表面積、高孔隙率、極低導(dǎo)熱率（最低可達(dá)0.001 W/m·K）等特點，單一氣凝膠材料強度低，并且對紅外輻射遮擋能力差。因此，若要將氣凝膠材料用于電子設(shè)備隔熱，主要須解決氣凝膠封裝固定、輻射屏蔽以及與電子設(shè)備集成組裝等問題。

2 隔熱材料傳熱計算

熱量在隔熱材料內(nèi)的傳遞方式通常包括輻射換熱、固體傳導(dǎo)。

對于一般隔熱材料，固體傳導(dǎo)可采用傅里葉定律計算，則有：

式中：λ是導(dǎo)熱率，又稱導(dǎo)熱系數(shù)；A是熱量傳導(dǎo)路徑的截面積；Δt是材料兩側(cè)表面的溫差；L是材料厚度。

對于輻射，可根據(jù)波爾茲曼定律計算，則有：

式中：ε為系統(tǒng)發(fā)射率（系統(tǒng)黑度）；σ為波爾茲曼常數(shù)；T1、T2分別為高溫面、低溫面溫度。

對于氣凝膠材料，氣相導(dǎo)熱率可根據(jù)下式計算：

式中：λg0是孔洞中氣體的導(dǎo)熱率；∏是材料的孔隙率；α是與氣體有關(guān)的常數(shù)；Kn是努森數(shù)。

固相導(dǎo)熱率可根據(jù)下式計算：

式中：ρ′和ρs是氣凝膠和固相骨架的密度；υ′和υs是氣凝膠和固相骨架的聲速；λs是固相的熱導(dǎo)率。

輻射導(dǎo)熱率可根據(jù)下式計算：

式中：σ是波爾茲曼常數(shù)；n是折射指數(shù)；Ks是消光系數(shù)。

3 隔熱材料導(dǎo)熱率測試方法

導(dǎo)熱率是隔熱材料最重要的物理參數(shù)，導(dǎo)熱率的值可以通過理論計算和試驗測試方法得到，但由于隔熱材料成分和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，理論數(shù)學(xué)模型通常難以準(zhǔn)確描述隔熱材料內(nèi)熱量的傳遞，隔熱材料的導(dǎo)熱率一般采用試驗測試的方法得到。目前，常用的測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法主要分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法是指在待測試樣內(nèi)建立不隨時間變化的溫度場，使熱量達(dá)到一維傳導(dǎo)的狀態(tài)，測量溫度梯度和試樣單位面積上的熱流量，就可以確定材料的導(dǎo)熱系數(shù)。穩(wěn)態(tài)法主要有防護(hù)熱板法、熱流計法、水流量平板法等，非穩(wěn)態(tài)法有熱線法、瞬態(tài)平面熱源法、激光閃射法等。

防護(hù)熱板法是測量絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的優(yōu)良方法，防護(hù)熱板法（Guarded Hot Plate Method, GHP）的測試機(jī)理如圖1所示。兩塊相同的待測試樣交替地夾在冷、熱板之間，熱量由中心計量面板與內(nèi)防護(hù)面板垂直通過試樣傳遞到冷卻面板上，而外防護(hù)面板的溫度為冷、熱板的平均溫度，以降低試樣的邊緣熱交換，進(jìn)而保證試樣上能形成一維垂直熱流。此外，若將其中的一塊試樣換作輔助加熱模塊，就可構(gòu)建單試樣結(jié)構(gòu)的測試裝置。

圖1 防護(hù)熱板法測試導(dǎo)熱系數(shù)原理示意圖

當(dāng)試樣中形成穩(wěn)定溫度梯度后，測量各模塊的溫度和熱功率，就可以計算得到試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，其計算公式如下：

式中：λ為試樣導(dǎo)熱系數(shù)；Q為計量面板的加熱功率；L為待測試樣的厚度；A為熱量傳導(dǎo)路徑截面積；Th為試樣熱面溫度；Tc為試樣冷面溫度。

4 結(jié) 語

本文對隔熱材料的種類和特性進(jìn)行了分析，研究了隔熱材料應(yīng)用于電子設(shè)備的方式和主要問題，并總結(jié)了熱量在隔熱材料內(nèi)傳遞的主要計算方法以及隔熱材料導(dǎo)熱率的測試方法，以指導(dǎo)隔熱材料在電子設(shè)備上的工程設(shè)計應(yīng)用。