劉喆煒 徐紅艷 沈同俊

(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083)

1 引 言

在航天領(lǐng)域中，經(jīng)常使用玻璃纖維復(fù)合材料作低溫設(shè)備的隔熱支撐，既要保證衛(wèi)星發(fā)射時力學(xué)環(huán)境要求的剛度和強度，又要有良好的絕熱性能。但當(dāng)支撐件較大時，玻璃纖維復(fù)合材料的剛度和強度不足，需要在其中增加其它高剛度和高強度的高分子纖維，形成多組分復(fù)合材料，本實驗采用玻璃纖維布中參雜碳纖維布方法。碳纖維復(fù)合材料雖然有足夠的剛度和強度，但熱導(dǎo)率較高，使復(fù)合材料整體熱導(dǎo)率升高。因此，以熱導(dǎo)率為代表的熱物性，是這種新型復(fù)合材料設(shè)計中不可缺少的數(shù)據(jù)。本文主要討論常溫下玻璃纖維布和碳纖維布的不同配比對熱導(dǎo)率的影響，并進一步研究航天領(lǐng)域中的低溫應(yīng)用研究材料熱導(dǎo)率在低溫下隨溫度的變化情況。

2 實驗部分

2.1 實驗裝置

熱導(dǎo)率的測試方法有很多，本實驗采用瞬態(tài)平面熱源法［1－3］，這種方法由 Gustafsson在1990年提出，是研究熱傳導(dǎo)性能中最精確、方便的一種。Hot disk熱常數(shù)分析儀就是基于此方法，測試儀器的實物如圖1所示，由測試主機，樣品臺和控制電腦組成。它主要是借由一個既是加熱元件又是溫度測量元件的特殊溫度傳感器實現(xiàn)測量的，溫度變化是通過測量傳感器熱電阻的變化(或電壓變化)來獲得。溫度傳感器是一個平面探頭，結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是由金屬鎳經(jīng)刻蝕處理形成的連續(xù)雙螺旋結(jié)構(gòu)薄片。在探頭外，還添加一層厚度只有0.025 mm的聚酰亞胺保護層。

圖1 Hot disk熱常數(shù)分析儀Fig.1 Hot disk thermal constants analyser

圖2 探頭在待測材料間的安放位置Fig.2 Riding position of detector

測量時，將探頭放置于兩待測材料間，電流通過探頭時，產(chǎn)生一定的熱量，此熱量會往兩待測材料擴散，擴散的速度由待測材料的熱導(dǎo)率和探頭尺寸決定。通過記錄探頭電阻和時間的關(guān)系，材料的熱傳導(dǎo)性質(zhì)就可以被計算出來。試驗中通過調(diào)整輸出功率和測試時間，使探測深度小于樣品厚度，溫度增加正常為0.3 K－5 K，特征時間在0.3－1之內(nèi)，從而使得平均偏差盡可能小，以此保證實驗精度。

測量樣品室溫下的熱導(dǎo)率比較方便，測量低溫下的熱導(dǎo)率需要創(chuàng)造低溫環(huán)境。低溫環(huán)境由真空控溫系統(tǒng)提供，冷源由真空杜瓦中的液氮提供，杜瓦的底面與銅板連接，銅板上安裝樣品池。為實現(xiàn)穩(wěn)定控溫，在樣品池上貼加熱片，周圍包多層隔熱組件。其它附件有鉑電阻、溫度測試儀和穩(wěn)壓電源，通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的輸出功率可以實現(xiàn)控溫。

本次實驗均采用5501探頭，探頭半徑為3.189 mm。每次測量在溫度穩(wěn)定半小時以上后進行，以保證其溫度與環(huán)境溫度一致，不存在內(nèi)部溫度梯度。常溫復(fù)合材料樣品熱導(dǎo)率測量在22℃恒溫環(huán)境下進行，每個樣品進行兩次分隔和獨立的測量。低溫不銹鋼標準樣品熱導(dǎo)率測量選取8個溫度點進行。低溫復(fù)合材料樣品熱導(dǎo)率測量從175 K開始往下直到100 K，每隔25 K為一個測溫點，每個溫度測量3－5次，每次測量在溫度穩(wěn)定半小時以上后進行。

圖3 低溫實驗實物圖Fig.3 Pictures of low temperature test device

2.2 樣品分類

試驗樣品為玻璃纖維布(型號SW80b-90A)和碳纖維布(型號T300-3K)的混合鋪層。在5組玻璃纖維布中分別參雜不同層數(shù)的碳纖維布，樣品中碳纖維布含量依次增加，樣品厚度均為10 mm。具體分組如表1所示。

表1 試驗樣品分組Table 1 Grouping of samples

3 結(jié)果與討論

3.1 玻璃纖維和碳纖維的不同配比對熱導(dǎo)率的影響

玻璃纖維和碳纖維均為各向異性材料，但為了更直觀地比較玻璃纖維和碳纖維不同配比對熱導(dǎo)率的影響，把測試樣品看作一個整體，應(yīng)用各向同性模塊進行測量。圖4是對5組玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料進行常溫實驗后得出的熱導(dǎo)率示意圖?？梢钥闯?，在常溫下樣品熱導(dǎo)率隨著碳纖維布含量的增加而增加，熱導(dǎo)率與碳纖維布含量有一定比例關(guān)系。兩條曲線表示兩次獨立的實驗，可以看出兩次測量的數(shù)據(jù)基本一致，實驗的重復(fù)性較好。

圖4 碳纖維含量對復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響Fig.4 Effects of carbon fiber content on thermal conductivity of composite materials

3.2 低溫下復(fù)合材料熱導(dǎo)率隨溫度的變化

首先進行標準樣品(不銹鋼)熱導(dǎo)率低溫測量實驗，將不銹鋼熱導(dǎo)率低溫實驗數(shù)據(jù)與已有數(shù)據(jù)比較，以檢驗所使用的低溫實驗方法的可靠性，同時為低溫下復(fù)合材料熱導(dǎo)率測量實驗做準備。圖5是不銹鋼標準樣品不同溫度下熱導(dǎo)率示意圖?？梢钥闯觯讳P鋼標準樣品熱導(dǎo)率隨溫度下降呈近似線性下降趨勢。實驗數(shù)據(jù)與這種不銹鋼已有低溫數(shù)據(jù)比較，符合得較好，可證明這種低溫實驗方法是可靠的。

整理實驗數(shù)據(jù)，計算每種樣品每個溫度下的平均熱導(dǎo)率，再根據(jù)整理后數(shù)據(jù)和常溫下已測得的熱導(dǎo)率分別做每種樣品的溫度－平均熱導(dǎo)率關(guān)系圖，如圖6所示。圖中5條曲線分別代表5組玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料平均熱導(dǎo)率隨溫度變化的趨勢，重點測量100 K－175 K之間的熱導(dǎo)率?？梢钥闯?，在180 K以下的低溫區(qū)，樣品熱導(dǎo)率均隨著溫度降低而近似線性減小;在相同溫度下，樣品熱導(dǎo)率均隨著碳纖維布含量的增加而增加，這與常溫下熱導(dǎo)率隨碳纖維布含量的變化趨勢是相同的。與不參雜的T300-3K碳纖維復(fù)合材料(常溫下8.50 W/m·K)相比，熱導(dǎo)率大大降低，而又可以保證一定的強度，該類復(fù)合材料可以根據(jù)實際應(yīng)用上對熱導(dǎo)率的要求，選擇合適的玻璃纖維和碳纖維配比，作為一種應(yīng)用于空間的絕熱介質(zhì)。

圖5 溫度對不銹鋼標準樣品熱導(dǎo)率的影響Fig.5 Effects of temperature on thermal conductivity of stainless steel

圖6 溫度對不同復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響Fig.6 Effects of temperature on thermal conductivity of composite material

4 結(jié) 論

(1)常溫下，玻璃纖維－碳纖維復(fù)合材料的整體熱導(dǎo)率隨著碳纖維布含量的增加而升高。

(2)不銹鋼標準樣品熱導(dǎo)率隨著溫度的降低呈近似線性下降，實驗數(shù)據(jù)與這種不銹鋼已有低溫數(shù)據(jù)比較符合得較好，可證明這種低溫實驗方法的可靠性。

(3)在100 K－175 K的低溫區(qū)，玻璃纖維－碳纖維復(fù)合材料熱導(dǎo)率隨著溫度降低而減小，在相同溫度下，復(fù)合材料熱導(dǎo)率隨著碳纖維布含量的增加而升高。

1 Gustafsson S E.Transient plane source techniques for thermal conductivity and thermal diffusivity measurement of solid materials［J］.Rev.Sci.Instrum.，1991，62(3):797-804.

2 Joshi G P，et al.Temperature dependence of effective thermal conductivity and effective thermal diffusivity of Ni-Zn ferrites［J］.Acta materialia，2003(51):2569-2576.

3 Log T，Gustafsson S E.Transient plane source(TPS)technique for measuring thermal transport properties of building materials［J］.Fire and Materials，1994，19(1):43-49.