航空復(fù)合材料的熱導(dǎo)率如何測定

更新時間：2025-05-16 點擊次數(shù)：380

什么是熱導(dǎo)率

當(dāng)材料內(nèi)部存在溫度梯度時，熱能就會從高溫區(qū)向低溫區(qū)流動，這就是熱傳導(dǎo)，傅里葉熱傳導(dǎo)定律是這類問題的基礎(chǔ)理論。

q=-λgradT

式中

q--熱流，表示單位時間通過單位面積的熱量；

gradT--表示溫度梯度；

λ--表示單位溫度梯度下的熱流密度。

λ，即熱導(dǎo)率，可以看出，它是一個和材料導(dǎo)熱能力相關(guān)的量。不同的材料，熱導(dǎo)率也不盡相同，即使是同種材料，在不同的溫度環(huán)境下，其熱導(dǎo)率也不相同。對于復(fù)合材料而言，熱導(dǎo)率也體現(xiàn)出各向異性的特性，因此，在不同方向上，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率是不同的。

熱導(dǎo)率測試方法一般可分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩類，兩類方法各自具有不同的特點，可根據(jù)不同的需要選取。

穩(wěn)態(tài)法中試樣處于穩(wěn)態(tài)溫度場中，在測試環(huán)境達到熱平衡狀態(tài)時，測定單位時間里通過試樣單位面積上的熱量、溫度梯度以及幾何尺寸等，再由傅里葉定律直接計算熱導(dǎo)率。這類方法的主要特點是設(shè)備相對簡單，測試準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)處理方便，但是需要在穩(wěn)態(tài)溫度場下測試，需要的時間很長。

非穩(wěn)態(tài)測試法中，測試是在非穩(wěn)態(tài)溫度場下完成的，通常使試樣的某一部分產(chǎn)生突然的或者是周期性的變化，在試樣的另外部分記錄溫度隨時間的變化關(guān)系，再根據(jù)由特定邊界條件所導(dǎo)出的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程，求解出熱導(dǎo)率。這種測試方法的特點是：測試速度快，并且有些非穩(wěn)態(tài)方法還能同時測出熱導(dǎo)率、導(dǎo)溫系數(shù)和比熱容。此法的主要缺點是需要較復(fù)雜的設(shè)備，而且因為導(dǎo)熱方程的邊界條件在測試過程中無法完一全一滿足，因而測試誤差較大。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

GB3139-2005纖維增強塑料導(dǎo)熱系數(shù)試驗方法；

ASTM C177-2010Standard Test Methods for Steady-State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded Hot-Plate Apparatus；

ASTM E1225-2009Standard Test Methods for Thermal Conductivity of Solids by Means of the Guarded-Comparative-Longitudinal Heat Flow Technique ；

ASTM C518-2010Standard Test Methods for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus.

試驗原理

采用平板穩(wěn)態(tài)法測定復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，測定熱導(dǎo)率方法的基本原理是：調(diào)節(jié)主加熱板與護加熱板以及主加熱板與底加熱板之間的溫差，使之達到平衡。達到穩(wěn)定狀態(tài)后，測定主加熱板的功率和試樣兩面的溫差。

護加熱板法是在穩(wěn)定狀態(tài)下，單向熱流垂直流過板狀試樣；通過測量在規(guī)定傳熱面積的一維恒定熱流量及試樣冷熱表面的溫差，可以計算出試樣的熱導(dǎo)率。

試驗裝置

加熱板：由主加熱板和包圍主加熱板并有一定間隙的護加熱板組成，加熱板的邊長或直徑一般是100mm，護加熱板的寬度是加熱板邊長或直徑的1/4，并有適當(dāng)保溫措施。主加熱板表面各點溫差不大于穩(wěn)定狀態(tài)下試樣兩面溫差的2%，但最大不得大于0.5℃。護加熱板表面各點溫差不大于穩(wěn)定狀態(tài)下試樣兩面溫差的5%，最大不得大于1℃。加熱板表面的不平度應(yīng)不大于0.25mm/m。

冷卻板：板內(nèi)應(yīng)具有螺紋式雙向液體回路，冷卻板的尺寸及接觸試樣表面狀態(tài)與加熱板相同，但冷卻板不設(shè)間隔。

試樣

試樣的尺寸應(yīng)滿足：試樣的邊長或直徑與加熱板相等，試樣的厚度至少是5mm，最大不大于其邊長或直徑的1/10。

試樣的表面應(yīng)平整，表面不平度不大于0.5mm/m，試樣的兩側(cè)應(yīng)平行。

試樣應(yīng)在不影響材料性能的前提下，烘至恒重或按照產(chǎn)品技術(shù)要求處理，但最高溫度不得大于105℃。這里所說的恒重是指試樣在處理溫度下，相隔2h重量變化不大于0.2%。

每組有效試樣數(shù)量不少于3個。

試驗要點

安裝試樣時應(yīng)注意消除空氣夾層調(diào)節(jié)主加熱板與護加熱板以及主加熱板與底加熱板之間的溫差，使之達到平衡。

達到穩(wěn)定狀態(tài)后，測定主加熱板的功率和試樣兩面的溫差。

結(jié)果計算

熱導(dǎo)率入按下式計算：