航空復合材料的熱導率如何測定

什么是熱導率

當材料內部存在溫度梯度時，熱能就會從高溫區向低溫區流動，這就是熱傳導，傅里葉熱傳導定律是這類問題的基礎理論。

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，即熱導率，可以看出，它是一個和材料導熱能力相關的量。不同的材料，熱導率也不盡相同，即使是同種材料，在不同的溫度環境下，其熱導率也不相同。對于復合材料而言，熱導率也體現出各向異性的特性，因此，在不同方向上，復合材料的熱導率是不同的。

熱導率測試方法一般可分為穩態法和非穩態法兩類，兩類方法各自具有不同的特點，可根據不同的需要選取。

穩態法中試樣處于穩態溫度場中，在測試環境達到熱平衡狀態時，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率。這類方法的主要特點是設備相對簡單，測試準確，數據處理方便，但是需要在穩態溫度場下測試，需要的時間很長。

非穩態測試法中，測試是在非穩態溫度場下完成的，通常使試樣的某一部分產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系，再根據由特定邊界條件所導出的非穩態導熱方程，求解出熱導率。這種測試方法的特點是：測試速度快，并且有些非穩態方法還能同時測出熱導率、導溫系數和比熱容。此法的主要缺點是需要較復雜的設備，而且因為導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。

相關標準

GB3139-2005纖維增強塑料導熱系數試驗方法；

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

采用平板穩態法測定復合材料的熱導率，測定熱導率方法的基本原理是：調節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。達到穩定狀態后，測定主加熱板的功率和試樣兩面的溫差。

護加熱板法是在穩定狀態下，單向熱流垂直流過板狀試樣；通過測量在規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，并有適當保溫措施。主加熱板表面各點溫差不大于穩定狀態下試樣兩面溫差的2%，但最大不得大于0.5℃。護加熱板表面各點溫差不大于穩定狀態下試樣兩面溫差的5%，最大不得大于1℃。加熱板表面的不平度應不大于0.25mm/m。

冷卻板：板內應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與加熱板相同，但冷卻板不設間隔。

試樣

試樣的尺寸應滿足：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。

試樣的表面應平整，表面不平度不大于0.5mm/m，試樣的兩側應平行。

試樣應在不影響材料性能的前提下，烘至恒重或按照產品技術要求處理，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%。

每組有效試樣數量不少于3個。

試驗要點

安裝試樣時應注意消除空氣夾層調節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。

達到穩定狀態后，測定主加熱板的功率和試樣兩面的溫差。

結果計算

熱導率入按下式計算：

式中

λ--熱導率，W/(m·K)；

W--主加熱板穩定時的功率，W：

d--試樣厚度，mm；

S--主加熱板的面積，cm2；

△t--試樣兩面的溫差，℃。