航天复合材料热导率测量的实验研究

刘喆炜 徐红艳 沈同俊

(中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083)

1 引 言

在航天领域中，经常使用玻璃纤维复合材料作低温设备的隔热支撑，既要保证卫星发射时力学环境要求的刚度和强度，又要有良好的绝热性能。但当支撑件较大时，玻璃纤维复合材料的刚度和强度不足，需要在其中增加其它高刚度和高强度的高分子纤维，形成多组分复合材料，本实验采用玻璃纤维布中参杂碳纤维布方法。碳纤维复合材料虽然有足够的刚度和强度，但热导率较高，使复合材料整体热导率升高。因此，以热导率为代表的热物性，是这种新型复合材料设计中不可缺少的数据。本文主要讨论常温下玻璃纤维布和碳纤维布的不同配比对热导率的影响，并进一步研究航天领域中的低温应用研究材料热导率在低温下随温度的变化情况。

2 实验部分

2.1 实验装置

热导率的测试方法有很多，本实验采用瞬态平面热源法［1－3］，这种方法由 Gustafsson在1990年提出，是研究热传导性能中最精确、方便的一种。Hot disk热常数分析仪就是基于此方法，测试仪器的实物如图1所示，由测试主机，样品台和控制电脑组成。它主要是借由一个既是加热元件又是温度测量元件的特殊温度传感器实现测量的，温度变化是通过测量传感器热电阻的变化(或电压变化)来获得。温度传感器是一个平面探头，结构如图2所示，它是由金属镍经刻蚀处理形成的连续双螺旋结构薄片。在探头外，还添加一层厚度只有0.025 mm的聚酰亚胺保护层。

图1 Hot disk热常数分析仪Fig.1 Hot disk thermal constants analyser

图2 探头在待测材料间的安放位置Fig.2 Riding position of detector

测量时，将探头放置于两待测材料间，电流通过探头时，产生一定的热量，此热量会往两待测材料扩散，扩散的速度由待测材料的热导率和探头尺寸决定。通过记录探头电阻和时间的关系，材料的热传导性质就可以被计算出来。试验中通过调整输出功率和测试时间，使探测深度小于样品厚度，温度增加正常为0.3 K－5 K，特征时间在0.3－1之内，从而使得平均偏差尽可能小，以此保证实验精度。

测量样品室温下的热导率比较方便，测量低温下的热导率需要创造低温环境。低温环境由真空控温系统提供，冷源由真空杜瓦中的液氮提供，杜瓦的底面与铜板连接，铜板上安装样品池。为实现稳定控温，在样品池上贴加热片，周围包多层隔热组件。其它附件有铂电阻、温度测试仪和稳压电源，通过调节稳压电源的输出功率可以实现控温。

本次实验均采用5501探头，探头半径为3.189 mm。每次测量在温度稳定半小时以上后进行，以保证其温度与环境温度一致，不存在内部温度梯度。常温复合材料样品热导率测量在22℃恒温环境下进行，每个样品进行两次分隔和独立的测量。低温不锈钢标准样品热导率测量选取8个温度点进行。低温复合材料样品热导率测量从175 K开始往下直到100 K，每隔25 K为一个测温点，每个温度测量3－5次，每次测量在温度稳定半小时以上后进行。

图3 低温实验实物图Fig.3 Pictures of low temperature test device

2.2 样品分类

试验样品为玻璃纤维布(型号SW80b-90A)和碳纤维布(型号T300-3K)的混合铺层。在5组玻璃纤维布中分别参杂不同层数的碳纤维布，样品中碳纤维布含量依次增加，样品厚度均为10 mm。具体分组如表1所示。

表1 试验样品分组Table 1 Grouping of samples

3 结果与讨论

3.1 玻璃纤维和碳纤维的不同配比对热导率的影响

玻璃纤维和碳纤维均为各向异性材料，但为了更直观地比较玻璃纤维和碳纤维不同配比对热导率的影响，把测试样品看作一个整体，应用各向同性模块进行测量。图4是对5组玻璃纤维和碳纤维复合材料进行常温实验后得出的热导率示意图。可以看出，在常温下样品热导率随着碳纤维布含量的增加而增加，热导率与碳纤维布含量有一定比例关系。两条曲线表示两次独立的实验，可以看出两次测量的数据基本一致，实验的重复性较好。

图4 碳纤维含量对复合材料热导率的影响Fig.4 Effects of carbon fiber content on thermal conductivity of composite materials

3.2 低温下复合材料热导率随温度的变化

首先进行标准样品(不锈钢)热导率低温测量实验，将不锈钢热导率低温实验数据与已有数据比较，以检验所使用的低温实验方法的可靠性，同时为低温下复合材料热导率测量实验做准备。图5是不锈钢标准样品不同温度下热导率示意图。可以看出，不锈钢标准样品热导率随温度下降呈近似线性下降趋势。实验数据与这种不锈钢已有低温数据比较，符合得较好，可证明这种低温实验方法是可靠的。

整理实验数据，计算每种样品每个温度下的平均热导率，再根据整理后数据和常温下已测得的热导率分别做每种样品的温度－平均热导率关系图，如图6所示。图中5条曲线分别代表5组玻璃纤维和碳纤维复合材料平均热导率随温度变化的趋势，重点测量100 K－175 K之间的热导率。可以看出，在180 K以下的低温区，样品热导率均随着温度降低而近似线性减小;在相同温度下，样品热导率均随着碳纤维布含量的增加而增加，这与常温下热导率随碳纤维布含量的变化趋势是相同的。与不参杂的T300-3K碳纤维复合材料(常温下8.50 W/m·K)相比，热导率大大降低，而又可以保证一定的强度，该类复合材料可以根据实际应用上对热导率的要求，选择合适的玻璃纤维和碳纤维配比，作为一种应用于空间的绝热介质。

图5 温度对不锈钢标准样品热导率的影响Fig.5 Effects of temperature on thermal conductivity of stainless steel

图6 温度对不同复合材料热导率的影响Fig.6 Effects of temperature on thermal conductivity of composite material

4 结 论

(1)常温下，玻璃纤维－碳纤维复合材料的整体热导率随着碳纤维布含量的增加而升高。

(2)不锈钢标准样品热导率随着温度的降低呈近似线性下降，实验数据与这种不锈钢已有低温数据比较符合得较好，可证明这种低温实验方法的可靠性。

(3)在100 K－175 K的低温区，玻璃纤维－碳纤维复合材料热导率随着温度降低而减小，在相同温度下，复合材料热导率随着碳纤维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.