纖維方向?qū)Νh(huán)氧樹脂/玻纖復(fù)合材料導(dǎo)熱性能影響

史超帆，陳叔平，王洋，金樹峰，于洋，何遠(yuǎn)新，楊帥，熊珍艷，史慶智

(1.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，蘭州 730050；2.中車長江車輛有限公司，武漢 430200；3.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，西安 710049)

環(huán)氧樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料(EP/GF)是以環(huán)氧樹脂為基體，玻璃纖維為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料，由于其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)且介電良好等優(yōu)勢，正被廣泛應(yīng)用于航天航空、建筑、軍事裝備等領(lǐng)域[1]。低溫儲罐支撐結(jié)構(gòu)既需承受內(nèi)外容器之間的靜載荷，又需承受移動式容器所帶來的沖擊載荷，要求支撐結(jié)構(gòu)具有高熱絕緣和高強(qiáng)度性能，EP/GF可以同時兼顧支撐結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和絕熱性能要求，因此EP/GF成為理想原材料[2-3]。第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)提出了推動清潔能源的高效利用，因此面對我國能源的綠色轉(zhuǎn)型，在液氫能源的儲運(yùn)設(shè)備方面會有更高的要求。2022年，美國GTL公司推出超低溫碳纖維儲罐，與現(xiàn)有最先進(jìn)航空低溫儲罐相比質(zhì)量減輕了75%；荷蘭宇航中心(NLR)計(jì)劃2022年底設(shè)計(jì)全復(fù)合材料的儲罐以消除結(jié)構(gòu)問題。面對世界超低溫復(fù)合材料儲罐的激烈競爭，我國正在自行設(shè)計(jì)制造大型液氫儲罐，將用EP/GF來制作支撐結(jié)構(gòu)。液氫沸點(diǎn)低，在儲運(yùn)過程中往往伴隨著蒸發(fā)損失，造成氫能源損失[4]，而支撐構(gòu)件連接內(nèi)外容器，兩端溫差大，作為外界向內(nèi)容器漏熱的主要部件，因此有必要對EP/GF導(dǎo)熱性能進(jìn)行研究；作支撐結(jié)構(gòu)的EP/GF在運(yùn)輸過程中往往伴隨著一定程度的磨損，有可能會導(dǎo)致EP/GF導(dǎo)熱性能的改變，因此有必要對磨損后的EP/GF熱導(dǎo)率進(jìn)行研究。

近年來，已有學(xué)者對EP/GF的導(dǎo)熱性能進(jìn)行研究，主要可以從以下兩個方面進(jìn)行綜述：導(dǎo)熱理論模型和試驗(yàn)測量分析。針對纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料，Agari等[5]將材料導(dǎo)熱過程分為平行和垂直兩種模式，建立串并聯(lián)導(dǎo)熱模型；Goyhénèche等[6]基于串并聯(lián)導(dǎo)熱模型建立了玻璃纖維布增強(qiáng)復(fù)合材料導(dǎo)熱模型，并綜合了孔隙率對熱導(dǎo)率的影響。由于復(fù)合材料的熱導(dǎo)率受纖維排布方式、孔隙率、含水率、密度以及溫度的影響[7-8]，故尚未獲得精度高且適用性廣泛的導(dǎo)熱模型。為確定工程應(yīng)用中EP/GF熱導(dǎo)率，已有學(xué)者搭建熱導(dǎo)率測試裝置，測試不同工況下EP/GF熱導(dǎo)率。目前熱導(dǎo)率的測定方法可分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法測試中，陳艷婕等[9]以4.2 K二級G-M制冷機(jī)為冷源，測得EP/GF在5.5，11.1 K溫度時熱導(dǎo)率分別為0.07～0.18 W/(m·K)和0.25～0.35 W/(m·K)；Ding等[10-11]搭建了固體界面接觸熱阻試驗(yàn)裝置測試玻璃鋼/玻璃鋼及玻璃鋼/不銹鋼接觸導(dǎo)熱，發(fā)現(xiàn)接觸導(dǎo)熱隨著表面粗糙的增大而減小，隨著界面壓力的增大、界面溫度的升高和材料熱導(dǎo)率的增大而增加。國內(nèi)關(guān)于EP/GF熱導(dǎo)率研究大多是基于穩(wěn)態(tài)法，相對于瞬態(tài)法，穩(wěn)態(tài)法對設(shè)備要求高、耗時長[12]，若需測試低溫下熱導(dǎo)率，還需以低溫液體或制冷機(jī)為冷源，從而造成經(jīng)濟(jì)消耗。趙玉芬等[13]針對瞬態(tài)熱線法和閃光法測試結(jié)果的差異性進(jìn)行有限元擬合，結(jié)果表明，由于測試方法不同，復(fù)合材料內(nèi)部紗線導(dǎo)熱作用不同，從而產(chǎn)生不同的熱響應(yīng)機(jī)制，導(dǎo)致測試結(jié)果不同。Colinart等[14]基于瞬態(tài)平面熱源(TPS)法和穩(wěn)態(tài)法測定結(jié)果的差異性展開研究發(fā)現(xiàn)：對于各向同性材料，兩種測試方法測定結(jié)果吻合；對于各向異性材料，若被測材料為均質(zhì)材料，可測得其材料熱導(dǎo)率，但熱導(dǎo)率受比熱容的影響較大；若被測材料為非均質(zhì)材料，并不能準(zhǔn)確測定材料的熱導(dǎo)率。

為探究EP/GF用作低溫儲罐支撐構(gòu)件時的適用性，筆者采用TPS法和瞬態(tài)熱線法測試材料導(dǎo)熱性能，擬合EP/GF在低溫下的熱導(dǎo)率，并針對磨損前和38 μm砂紙打磨條件下的EP/GF，研究其導(dǎo)熱性能變化，從各向異性特性以及微觀結(jié)構(gòu)揭示引起導(dǎo)熱性能變化的機(jī)理，為真空夾層中支撐構(gòu)件的選型提供科學(xué)依據(jù)，為儲罐漏熱分析提供數(shù)據(jù)支撐。

1 熱導(dǎo)率測定試驗(yàn)

1.1 材料取樣

EP/GF管材具有良好的綜合力學(xué)性能[15]，用作低溫儲罐支撐結(jié)構(gòu)，減少了接觸面積，降低了環(huán)境向內(nèi)容器的漏熱，故現(xiàn)有移動式容器運(yùn)用管狀EP/GF居多。筆者選用在低溫貯運(yùn)設(shè)備中廣泛使用的一種由青島斯伯丁公司經(jīng)濕法纏繞成型的高強(qiáng)度EP/GF，試驗(yàn)具體取樣如圖1所示。為對比分析EP/GF導(dǎo)熱特性與纖維方向之間的關(guān)系，分別沿著纖維方向(層向)以及垂直于纖維方向(垂向)進(jìn)行取樣：在EP/GF管中沿著徑向及軸向截面進(jìn)行取樣，樣品直徑為40 mm，壁厚δ=10 mm，同一軸向自上而下依次標(biāo)注層向試樣為A，B，C，垂向試樣為D，E，F(xiàn)，如圖1b所示，同一圓周順時針依次編號為1～6，如圖1c所示。

圖1 EP/GF取樣示意圖

1.2 EP/GF熱導(dǎo)率測定

(1)測定原理。

參照ⅠSO 22007-2，采用如圖2所示的由瑞典HOT DⅠSK公司基于瞬態(tài)平面法生產(chǎn)的TPS2200型熱常數(shù)分析儀，用于測量試樣的瞬態(tài)熱導(dǎo)率以及比熱容。該設(shè)備采用的薄膜式探頭由鎳金屬經(jīng)刻蝕處理后的雙螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成，并將聚酰亞胺薄膜覆蓋兩側(cè)，起到電絕緣及保護(hù)作用。薄膜探頭除了具有加熱功能外，同時作為感溫元件，用以記錄探頭的溫度變化。測試時，探頭被緊密夾持在兩塊待測樣品之間，形成瞬態(tài)“三明治”熱導(dǎo)率測定模型。在傳感器中通入恒定弱電流后形成階梯式焦耳熱引起試樣溫度變化，同時使傳感器自身阻值也發(fā)生改變，采用惠斯登電橋?qū)㈦娮栊盘栟D(zhuǎn)化為電壓信號，精確測量探頭阻值變化。由于待測材料熱輸運(yùn)性質(zhì)不同，導(dǎo)致探頭表面溫度響應(yīng)也不同，通過探頭阻值變化記錄溫度響應(yīng)，即可較為精確獲得被測材料熱物性參數(shù)[16]。

圖2 TPS2200型熱常數(shù)分析儀基本布局圖

(2)測定過程。

EP/GF具有吸濕特性[17]，測試前將試樣置于袋中防止空氣中水分子向試樣進(jìn)行擴(kuò)散。

采用TPS法測定的試樣熱導(dǎo)率受比熱容影響較大[14]，故首先采用熱常數(shù)分析儀進(jìn)行比熱容測定：通過各向同性導(dǎo)熱模型預(yù)估EP/GF熱導(dǎo)率小于1 W/(m·K)；對其空杯進(jìn)行測量時，設(shè)置加熱功率為110 mW，測量時間為40 s；放入EP/GF試樣后，設(shè)置加熱功率為150 mW，測量時間為40 s。對三塊EP/GF試樣進(jìn)行3次重復(fù)性測試，測試時間間隔為1 h，取測定結(jié)果的平均值作為參數(shù)用于熱導(dǎo)率測定。

采用各向同性模型測定試樣熱導(dǎo)率，評價各向異性模型測定結(jié)果的適用性；采用各向異性模型測定分析纖維方向與熱導(dǎo)率之間的關(guān)系。對EP/GF上中下各6個層向以及垂向試樣進(jìn)行分組，兩兩結(jié)合形成“三明治”結(jié)構(gòu)，即試樣A至試樣F的編號1，2為組1，編號3，4為組2，編號5，6為組3。采用探頭C5501進(jìn)行測定，每次測量的加熱功率為100 mW，持續(xù)時間為80 s，對每組試樣進(jìn)行3次再現(xiàn)性試驗(yàn)，時間間隔為1 h，取其平均值。

(3)測試結(jié)果誤差分析。

由于每組試樣測試次數(shù)多且測試時間跨度大，故可將測試結(jié)果的平均值作為EP/GF的測定值，計(jì)算測試結(jié)果的相對誤差，用以表示測試結(jié)果偏離平均值的大小，相對誤差由式(1)可得。

式中：xi——測試結(jié)果；

μ——被測量真值(用測試結(jié)果的平均值代替)，μ=。

筆者運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)備的測量范圍及精度見表1。

表1 設(shè)備測量范圍及精度

1.3 磨損試驗(yàn)

采用砂紙打磨，通過控制打磨時間實(shí)現(xiàn)試樣的不同表面粗糙度，模擬EP/GF在真空夾層中的磨損情況。選取試樣A1～A4作為磨損樣品進(jìn)行對照試驗(yàn)，其中未處理組為車床加工試樣，磨損組為經(jīng)過38 μm砂紙打磨0.5 h，后置于105℃干燥箱中恒溫處理1 h的試樣。

2 結(jié)果與討論

2.1 比熱容測定

為避免熱導(dǎo)率測定結(jié)果受比熱容測定誤差影響，采用TPS2200型熱常數(shù)分析儀比熱模塊對EP/GF進(jìn)行測定，將測定結(jié)果作為參數(shù)用于熱導(dǎo)率的測量，防止熱導(dǎo)率測定誤差進(jìn)一步增大。測試過程中發(fā)現(xiàn)測定試樣比熱容易受外界溫度變化影響，故通過延長靜置時間，以確保溫度漂移圖離散。

表2為EP/GF比熱容測定結(jié)果。由表2可知測得平均比熱容為1.808 MJ/(m3·K)，3組試樣比熱容最大相對誤差為2.52%，而同一組試樣不同時刻測得結(jié)果的最大相對誤差為2.03%。與熱導(dǎo)率測定結(jié)果相比，比熱容測定結(jié)果相對誤差較大，且展現(xiàn)各向同性。這表明EP/GF比熱容為材料本身物質(zhì)屬性，只與纖維種類以及組分比有關(guān)，與纖維方向無關(guān)。但由于測試時間跨度大，且測試均在室溫下進(jìn)行，未能保證恒溫恒濕，但其最大相對誤差小于5%，故可以忽略微小的溫度和濕度變化對其比熱容的影響。

表2 EP/GF單位體積比熱容測定結(jié)果

2.2 各向同性模型下熱導(dǎo)率測定

(1)TPS法測定熱導(dǎo)率。

圖3為各向同性模型下EP/GF熱導(dǎo)率測定結(jié)果。由圖3可知，層向試樣熱導(dǎo)率處于0.50～0.52 W/(m·K)范圍內(nèi)，不同組合試樣熱導(dǎo)率最大相對誤差為1.41%，垂向試樣熱導(dǎo)率處于0.46～0.48 W/(m·K)范圍內(nèi)，最大相對誤差為2.05%，垂向試樣熱導(dǎo)率約為層向試樣的90.9%。

圖3 各向同性模型下不同取樣方式及位置的EP/GF熱導(dǎo)率

測試過程中發(fā)現(xiàn)，隨著測試次數(shù)的增多，其測定結(jié)果相對誤差越來越小。各向同性模型下測得EP/GF層向試樣熱導(dǎo)率大于垂向試樣，且熱導(dǎo)率不會隨徑向不同方向以及軸向不同位置取樣發(fā)生變化，只隨試樣纖維方向發(fā)生變化。拓展到單個EP/GF試樣，如圖4所示，其熱導(dǎo)率可分解為徑向熱導(dǎo)率(λxy)以及軸向熱導(dǎo)率(λz)，符合TPS法各向異性模型測定要求。纖維方向單層板熱導(dǎo)率計(jì)算公式如式(2)所示[18]：

圖4 不同取樣方式的纖維方向示意圖

式中：λd——纖維方向單層板熱導(dǎo)率；

λc，λm——玻璃纖維、環(huán)氧樹脂熱導(dǎo)率；

Vc，Vm——玻璃纖維、環(huán)氧樹脂體積分?jǐn)?shù)。

由式(2)可知，EP/GF熱導(dǎo)率主要由環(huán)氧樹脂、玻璃纖維比例和種類決定的，然而隨不同位置取樣熱導(dǎo)率不發(fā)生變化，故可知EP/GF每層結(jié)構(gòu)體積分?jǐn)?shù)相近。

(2)瞬態(tài)熱線法和TPS法下測得試樣的熱導(dǎo)率對比。

表3為采用瞬態(tài)熱線法和TPS法在各向同性模型下測得EP/GF的熱導(dǎo)率。由表3測試結(jié)果可知：兩種測試方法均表明層向試樣熱導(dǎo)率大于垂向試樣的熱導(dǎo)率；瞬態(tài)熱線法測試結(jié)果的最大相對誤差大于TPS法；采用瞬態(tài)熱線法測定結(jié)果低于TPS法，對于層向試樣，瞬態(tài)熱線法的熱導(dǎo)率測定結(jié)果約為TPS法的84.7%，對于垂向試樣，瞬態(tài)熱線法為TPS法的73.2%；瞬態(tài)熱線法相對于TPS法的層向和垂向試樣展現(xiàn)出較強(qiáng)的差異性。

表3 兩種測量方法測得試樣的熱導(dǎo)率

由于各向同性模型下探頭的熱量向四周發(fā)散，如圖5所示，玻璃纖維在導(dǎo)熱過程中所起的作用大小不同，造成EP/GF沿纖維不同方向取樣，熱導(dǎo)率存在差異。對于層向試樣，熱量沿著纖維方向(z向)傳遞，而在xy平面上，由于玻璃纖維熱導(dǎo)率大于環(huán)氧樹脂熱導(dǎo)率造成熱短路，故流經(jīng)xy平面熱流量較少；對于垂向試樣，熱量沿著纖維方向(xy平面)傳遞，對于z向，環(huán)氧樹脂位于兩玻璃纖維布之間，阻礙了熱量傳遞，同時由于xy平面玻璃纖維布溫差逐漸衰減，從而造成xy平面散失熱量進(jìn)一步減少。無論是瞬態(tài)熱線法還是TPS法測試試樣熱導(dǎo)率，試樣中的溫度分布均是隨著時間變化而變化的，通過監(jiān)測試樣表面溫度變化確定試樣熱擴(kuò)散系數(shù)，再根據(jù)單位體積比熱容即計(jì)算得到試樣的熱導(dǎo)率，而垂向試樣相對于層向試樣阻礙了熱量的散失，從而導(dǎo)致層向試樣熱導(dǎo)率大于垂向試樣熱導(dǎo)率。

圖5 兩種熱導(dǎo)率測試方法的加熱方式

TPS法是以感溫薄膜作為內(nèi)熱源，瞬態(tài)熱線法是以熱線為內(nèi)熱源，內(nèi)熱源接觸面積不同造成復(fù)合材料內(nèi)部纖維紗線系統(tǒng)的導(dǎo)熱作用不相同，導(dǎo)致不同測試方法的測試結(jié)果不同。對于垂向試樣，采用熱線法測試時，熱量沿著經(jīng)紗縱向傳遞，沿著緯紗橫向傳遞，因此緯紗導(dǎo)熱作用相對較少[13]；采用TPS法測試時，由于增大了探頭與試樣的接觸面積，沿著經(jīng)紗和緯紗均是縱向傳遞。對于層向試樣，采用TPS法測試時較多的纖維參與熱量傳遞，同時減少了接觸熱阻對測定結(jié)果的影響，從而造成TPS法測試結(jié)果大于瞬態(tài)熱線法。

各向同性模型下測試結(jié)果表明：EP/GF屬于各向異性材料，沿著玻璃纖維布方向的試樣熱導(dǎo)率大于垂直于玻璃纖維布方向試樣的熱導(dǎo)率；由于EP/GF熱導(dǎo)率隨取樣位置并未發(fā)生變化，故其單層結(jié)構(gòu)組分比相近，可將EP/GF熱導(dǎo)率分為λxy，λz，滿足TPS法中各向異性測定要求；由于測試過程中纖維紗線的導(dǎo)熱作用不同，造成瞬態(tài)熱線法測定結(jié)果小于TPS法。

2.3 各向異性熱導(dǎo)率測定

(1)試驗(yàn)測定結(jié)果分析。

圖6是采用TPS法在各向異性模型下測得試樣的熱導(dǎo)率。由圖6測試結(jié)果可知，λxy，λz隨不同位置取樣并未發(fā)生變化，垂向試樣λxy和λz較層向試樣展現(xiàn)較強(qiáng)的差異性。熱導(dǎo)率存在以下關(guān)系：垂向試樣λxy＞層向試樣λz＞層向試樣λxy＞垂向試樣λz。如圖4所示，層向試樣λxy，λz與垂向試樣λz，λxy導(dǎo)熱方向分別一致，而層向試樣λz為垂向試樣λxy的89.5%，垂向試樣λz為層向試樣λxy的76.1%，由各向同性測試結(jié)果可知并非是由于材料組分比的差異性造成熱導(dǎo)率測定結(jié)果的差異。沿著xy平面兩試樣接觸面存在間隙，從而造成探頭沿著xy平面熱量的散失，導(dǎo)致測得xy平面的熱導(dǎo)率大于z方向的熱導(dǎo)率。

圖6 各向異性模型下不同取樣方式以及位置的EP/GF熱導(dǎo)率

一方面，為保證試驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，另一方面，在實(shí)際應(yīng)用過程中，xy平面溫差較小，由傅里葉定理可知，其熱流量較z方向可忽略不計(jì)，故主要關(guān)注熱導(dǎo)率λz。垂向試樣λz約為層向試樣λz的72.40%，如圖7所示，由于層向試樣λz為沿著纖維布方向的熱導(dǎo)率，垂向試樣λz為垂直于纖維布方向熱導(dǎo)率，沿著纖維布方向的熱導(dǎo)率大于垂直于纖維布方向的熱導(dǎo)率。沿著玻璃纖維布方向，玻璃纖維布構(gòu)成了連續(xù)的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，而垂直于玻璃纖維布方向，環(huán)氧樹脂間隔于兩玻璃纖維布之間，阻礙了玻璃纖維布的接觸，從而阻斷了導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成。

圖7 層向及垂向試樣λz在EP/GF中代表的方向

(2)導(dǎo)熱模型分析。

如圖7所示，若不考慮纖維布上纖維與纖維之間滲透的環(huán)氧樹脂產(chǎn)生的接觸熱阻，只考慮玻璃纖維布鋪層方向?qū)ζ錈釋?dǎo)率的影響，可將試樣簡化為串并聯(lián)導(dǎo)熱模型[5]，對于并聯(lián)模型：

對于串聯(lián)模型：

式中：λparallel，λseries——并聯(lián)和串聯(lián)導(dǎo)熱模型下EP/GF熱導(dǎo)率；

λf——玻璃纖維布熱導(dǎo)率，

λp——環(huán)氧樹脂基體熱導(dǎo)率；

Vf——玻璃纖維布體積分?jǐn)?shù)。

對兩導(dǎo)熱模型求差可知：

僅當(dāng)λp=λf時為各向同性材料λparallel=λseries，否則λparallel＞λseries。

圖8為EP/GF串并聯(lián)導(dǎo)熱模型。由圖8可知，層向試樣λz可簡化為并聯(lián)導(dǎo)熱模型熱導(dǎo)率，垂向試樣λz簡化為串聯(lián)導(dǎo)熱模型熱導(dǎo)率，故層向樣λz＞垂向試樣λz。

圖8 EP/GF串并聯(lián)導(dǎo)熱模型

(3)不同溫度下熱導(dǎo)率分析。

國內(nèi)關(guān)于EP/GF熱導(dǎo)率研究大多是基于穩(wěn)態(tài)法，穩(wěn)態(tài)法主要是向試樣中通入恒定的熱流，在樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度場，再結(jié)合傅里葉定律，即可獲得被測材料的熱導(dǎo)率。由前文可知，測試方法不同，測試過程中EP/GF導(dǎo)熱作用不同，造成測定結(jié)果存在差異。由式(3)、式(4)可知，EP/GF熱導(dǎo)率主要受環(huán)氧樹脂和玻璃纖維熱導(dǎo)率以及體積分?jǐn)?shù)的影響，而其熱導(dǎo)率隨溫度變化是其固有屬性，若使EP/GF獲得最佳的力學(xué)性能，一般玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)維持在75%左右[19]，故具有相同玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)的EP/GF應(yīng)具有相同的溫度-熱導(dǎo)率關(guān)系。故通過擬合EP/GF溫度變化關(guān)聯(lián)式，計(jì)算本研究中EP/GF試樣在液氫溫區(qū)的熱導(dǎo)率。

擬合文獻(xiàn)[20]中通過軸向穩(wěn)態(tài)熱流法測得不同溫度下EP/GF熱導(dǎo)率可知，其層向試樣以及垂向試樣分別滿足以下熱導(dǎo)率關(guān)于溫度T的關(guān)聯(lián)式，R2接近于1。

設(shè)本研究中EP/GF層向試樣以及垂向試樣熱導(dǎo)率滿足以下關(guān)聯(lián)式：

式(6)至式(9)中，k，k′分別為層向及垂向試樣熱導(dǎo)率。通過室溫下測得層向以及垂向試樣λz，可以確定設(shè)置的系數(shù)m=0.307 7，n=0.121 8。圖9列舉了一些文獻(xiàn)近年來通過穩(wěn)態(tài)法測得低溫下EP/GF的熱導(dǎo)率，由圖9可知文獻(xiàn)[20]測得低溫下的熱導(dǎo)率經(jīng)式(6)和式(7)擬合的函數(shù)符合文獻(xiàn)[9]測得的超低溫下EP/GF熱導(dǎo)率區(qū)間，故筆者通過擬合文獻(xiàn)[20]中EP/GF溫度變化關(guān)聯(lián)式，利用式(8)和式(9)計(jì)算本研究中通過TPS法測得EP/GF試樣在液氫溫區(qū)的熱導(dǎo)率。由圖9可知，當(dāng)溫度低至5.5 K以及11.1 K時，EP/GF層向以及垂向試樣熱導(dǎo)率分別滿足文獻(xiàn)[9]中所給熱導(dǎo)率區(qū)間，并計(jì)算得液氫溫區(qū)層向試樣λz為0.319 7 W/(m·K)，垂 向 試 樣λz為0.156 8 W/(m·K)。

圖9 EP/GF在4～293 K范圍內(nèi)熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線

由擬合結(jié)果可知，層向試樣λz＞垂向試樣λz，且隨著溫度降低，兩試樣熱導(dǎo)率差別逐漸增大。故當(dāng)EP/GF作支撐結(jié)構(gòu)，若只承受壓縮載荷時，可選用板材，使熱流垂直于纖維方向，減少外界向低溫儲罐的漏熱量。同時由導(dǎo)熱通路理論可知，層向試樣熱導(dǎo)率受纖維增強(qiáng)材料影響較大，故板材可選用力學(xué)性能更優(yōu)的纖維增強(qiáng)材料增加其承載能力。較管材，板材熱導(dǎo)率并不會有較大幅度地提升。若既承受剪切載荷又承受壓縮載荷，則需要綜合力學(xué)性能良好的EP/GF管材。

2.4 磨損老化對EP/GF熱導(dǎo)率的影響

圖10 為兩組EP/GF層向試樣經(jīng)過磨損前后熱導(dǎo)率的測定結(jié)果，由測定結(jié)果可知，磨損前的整體熱導(dǎo)率(λ)，λxy和λz分別為0.508 8，0.515 3，0.499 3 W/(m·K)，相應(yīng)的磨損后為0.513 7，0.481 2，0.531 3 W/(m·K)。與磨損前相比，磨損后λ及λz增大了0.97%，6.40%，λxy減小了6.62%。

圖10 磨損前后EP/GF的熱導(dǎo)率(圖中λ為整體熱導(dǎo)率)

由于EP/GF為非金屬，其導(dǎo)熱主要方式為晶格震動，聲子在傳遞過程中由于非晶相的缺陷發(fā)生散射產(chǎn)生接觸熱阻。接觸熱阻受接觸表面影響較大，自然界并未存在完全光滑的固體表面，兩固體面間的接觸僅發(fā)生在一些離散的點(diǎn)或是極微小的面上，當(dāng)熱流流經(jīng)接觸表面時，會發(fā)生圖11所示熱流收縮[22]。界面接觸熱阻與界面接觸的微凸體個數(shù)有關(guān)，界面接觸微凸體個數(shù)越多，界面熱阻越小。

圖11 熱流穿過接觸界面示意圖

EP/GF經(jīng)過38 μm砂紙打磨，表面粗糙度減小，在相同載荷下，接觸表面的表面粗糙度越小，接觸表面越平整，表面發(fā)生接觸的微凸體數(shù)目越多，接觸熱阻越小，故熱導(dǎo)率增大。增大界面接觸微凸體個數(shù)的方式主要有兩種，一是增大載荷，使接觸界面產(chǎn)生變形，二是減小表面粗糙度。故要求通過TPS法測試試樣熱導(dǎo)率時，要求試樣表面平整，同時施加壓力使探頭與試樣緊密結(jié)合，一方面減少接觸熱阻對測定結(jié)果的影響，另一方面避免粗糙表面在受到較大載荷時對探頭造成損傷。

圖12 為磨損前后EP/GF外觀圖以及微觀形貌圖。由圖12可知，磨損后EP/GF表面光滑平整。EP/GF中除了環(huán)氧樹脂基體和玻璃纖維外，環(huán)氧樹脂與玻璃纖維的接觸界面同樣會影響熱導(dǎo)率。由圖12微觀圖可知，磨損前環(huán)氧樹脂基體和玻璃纖維結(jié)合緊密，界面完整性強(qiáng)，磨損后，玻璃纖維和環(huán)氧樹脂基體之間結(jié)合界面開始變得疏松，纖維裸露。由此可知，由于接觸界面在摩擦過程中產(chǎn)生摩擦熱，摩擦熱的聚集造成界面溫度升高，從而導(dǎo)致EP/GF表面環(huán)氧樹脂部分軟化分解，使得纖維裸露。經(jīng)過磨損后破壞了玻璃纖維與環(huán)氧樹脂結(jié)合界面的完整性，使玻璃纖維與環(huán)氧樹脂之間形成的導(dǎo)熱區(qū)域離散，這些阻礙了聲子傳遞，從而導(dǎo)致λxy減小。此外，由于EP/GF經(jīng)過砂紙打磨，表面粗糙度減小，增大了兩接觸表面，從而導(dǎo)致玻璃纖維接觸增多，λz增大。綜合考慮，EP/GF作低溫儲罐支撐構(gòu)件，裝配過程中需考慮其吸濕特性，防止空氣中水分子對環(huán)氧樹脂造成降解，同時隨著低溫儲罐使用年限的增加，由于EP/GF磨損老化，會使得其支撐結(jié)構(gòu)漏熱增加。

圖12 EP/GF磨損前后表面形貌

3 結(jié)論

通過TPS法測試EP/GF熱導(dǎo)率，結(jié)合串并聯(lián)導(dǎo)熱模型探究熱導(dǎo)率同纖維方向之間的關(guān)系；擬合不同溫度下的熱導(dǎo)率，計(jì)算液氫溫區(qū)EP/GF熱導(dǎo)率，為低溫儲罐支撐構(gòu)件的選型和漏熱分析提供理論支撐；并對比瞬態(tài)熱線法測試結(jié)果，分析測試過程中EP/GF紗線的導(dǎo)熱形式；采用砂紙打磨模擬EP/GF作支撐結(jié)構(gòu)時的磨損，探究導(dǎo)熱性能變化規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

(1)通過各向同性模型測試試樣EP/GF熱導(dǎo)率，兩種瞬態(tài)法測試結(jié)果同時展現(xiàn)出層向試樣熱導(dǎo)率大于垂向試樣熱導(dǎo)率，然而由于兩種測試探頭與試樣接觸面積不同，導(dǎo)致測試過程中紗線導(dǎo)熱形式不同，瞬態(tài)熱線法測試結(jié)果小于TPS法，測試結(jié)果相對誤差大于TPS法。

(2)各向異性模型下，由于兩試樣接觸之間存在間隙，使得沿著xy平面熱導(dǎo)率大于z方向熱導(dǎo)率，造成垂向試樣λxy＞層向試樣λz＞層向試樣λxy＞垂向試樣λz，為保證試驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，主要關(guān)注z方向熱導(dǎo)率。垂向試樣λz約為層向試樣λz的72.40%，由串并聯(lián)導(dǎo)熱模型可知，沿著纖維方向熱導(dǎo)率大于垂直于纖維方向熱導(dǎo)率，通過擬合不同溫度下熱導(dǎo)率，計(jì)算得液氫溫度下層向試樣熱導(dǎo)率λz為0.319 7 W/(m·K)，垂向試樣熱導(dǎo)率λz為0.156 8 W/(m·K)。

(3)利用砂紙打磨后，EP/GF中玻璃纖維裸露，其表面粗糙度減小，玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的結(jié)合程度變差，界面的整體性遭到破壞，這些因素阻礙沿著xy平面的聲子傳遞，增大了z方向微凸體的接觸面積，使得EP/GF作支撐結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)率增大。