蜂窝复合板导热系数测试装置及方法

王毅，薛敏毅，王崇良，刘俊耀

（中国航天科工集团第六研究院二一0研究所，陕西西安710065）

蜂窝复合板导热系数测试装置及方法

王毅，薛敏毅，王崇良，刘俊耀

（中国航天科工集团第六研究院二一0研究所，陕西西安710065）

根据传热学定义，并结合实际案例，设计出常温下测试蜂窝复合板导热系数的装置，通过标准试验方法，分析得出该方法与物理模型的吻合度好，测试的数据精确，从而解决蜂窝复合板在常温下热传导系数测试的难题，为蜂窝复合板的保温设计提供了定量计算方法。

蜂窝；复合板；导热

由于蜂窝复合板兼具优良的隔热性能和机械刚度，被广泛应用在各种保温隔热场合（如建筑、方舱、航空航天等领域）。然而，由于缺乏蜂窝复合板的具体导热参数，在工程应用上往往靠设计师的经验进行估计，缺乏科学的数据支持，严重阻碍了蜂窝复合板的使用领域。且工程师们在设计时为了稳妥起见，往往留的富余量较大，不仅造成了大量的材料资源浪费，也增加了产品自身的重量。资料显示，许多研究人员正在努力的研究解决方法，截止目前，提出的一些在高温状态下（200℃以上）测试蜂窝复合板导热系数的方法，这对于现实的工程领域来讲没有意义，测出的结果只能用于参考而已。本文提出了在常温下测试蜂窝复合板导热系数方法。结果表明：该方法与物理模型的吻合度好，数据精确，填补该项领域的空白。

现有的导热系数测试按测量方法分为两大类，即非稳态法和稳态法。非稳态法根据工作原理又分为：热线法、激光闪射法和平面热源法三种，此三种方法最大的优点是，耗时短，仅几秒钟就可得到结果，且对试样大小没有要求，因此获得了广泛应用[1]。

由于非稳态法的测量过程需通过材料的密度或比热获取或通过计算得出导热系数。因此该法只适用于密度均匀的材质，而蜂窝复合板这类材料，是由气体和固体组合而成，固体中既含有金属又含有非金属，它们的密度和比热差异巨大，因此所有非稳态法均不适用于蜂窝复合板这类材料。稳态法的测试方法主要为保护平板法，原理如图1所示：将厚度一定的方形试样3（通常长宽各30 cm，厚10 cm）插入于加热板1和冷板5，设置一定的温度梯度。使用校正过的热流传感器2、4测量通过样品的热流，传感器2、4在平板与样品之间和样品接触。测量样品厚度、温度梯度与通过样品的热流便可计算导热系数。而蜂窝芯复合板的结构特点，如图2所示。由于内外蒙皮大多为金属材料6，即热的良导体，导热性能良好，而芯层一般由热的绝缘材料7组成，两者的导热性能相差数万倍，导致加热板1产生的热量几乎全部沿蒙皮散掉，没有稳定的热流穿过试样，位于冷板5上的传感器4当然也测不到热流，因此，平板法也不适用于测量蜂窝芯的导热系数。实践中，测出的数据离散很大，相差数千倍[2]。

图1 平板法测试原理图

图2 蜂窝芯复合板结构

1 导热系数的测试理论

式中：Q稳态时通过试样有效传热面积的热量（J）；t牛顿时间（s）；λ导热系数（W/（m·K））；S截面面积（m2）；T该点所取垂直面上的温度（℃）；l试样厚度（m）。

比例因子λ又称为导热率，也称导热系数。

平板导热仪使热流以单向稳定状态传递的条件下工作的。因此，热流速率为一恒值，温度梯度，此时方程（1）可表示为

式中：△T该点所取垂直面上的温度差（℃）；△l该点所取垂直面上的厚度差（m）。

将已知厚度为l的试样置于试验装置内，使其热面和冷面之间保持一个恒定温差，热流从热面通过试样流至冷面后，被量热器中的冷却水吸走。根据在单位时间内流经中心量热器的水的温升和水流量可计算出冷却水所吸收的热量。

由式（2）可得：

式中：T1试样热面的温度（℃）；T2试样冷面的温度（℃）。

2 测试装置及方法介绍

首先用10～25 mm厚的5块木板，制成一个无盖的箱体6，如图3所示，箱体的内壁衬垫7用绝热材料如加入阻燃剂的聚氨酯泡沫材料制作，衬垫厚度大于200 mm，5块衬垫之间形成的缝隙用密封胶8密封，箱体内部空间尺寸为（a×a×c）mm，箱内底部中间安置一电热器11，电热器11功率W固定，另在箱体内部每个侧板中心设置一温度传感器10，感应头距侧壁90～100 mm，测量箱内温度Ti，箱内的温度Ti由四个温度传感器10的测量值的平均值代替，同时，在测试环境也设置一温度计13测试环境温度To，四个传感器和电热器的导线通过箱底的转接板12导出箱外，分别与箱外的电源14和温度显示仪表15相连。

图3 测试工装图

试样要求：图4是测试测试试样16的形状和尺寸，即将需要测试导热系数的试样按图3制作。测试时，首先，用垫木9将箱体垫离地面超过100 mm，将试样16作为箱体6的盖子盖在箱体6的上面，再用胶带17密封，如图5.

图4 测试用试样图

图5 测试过程图

测试过程：接通电源，一般0.5 h后，温度就会平衡，判断平衡的条件是：当仪表15显示的温度在平衡后，持续30 min仍保持不变时，就认为箱体内外已经达到平衡，记录此时温度。并按下述公式（4）计算出导热系数λ.公式（4）是公式（3）的变形，公式（4）中用电热器11的功率W代替公式（3）中的Q，试样热面的温度公式T1用箱内温度Ti代替，试样冷面的温度T2用测试环境温度To代替：

式中：W电热器功率，小于500 W；l蜂窝芯试样厚度，小于0.02 m；S蜂窝芯试样有效散热面（m2）；

式中：a为蜂窝芯试样有效边长；Ti为测试箱内温度（℃）；

式中t1、t2、t3、t4分别为箱内四个温度传感器测出的温度（℃）；To测试环境温度（℃）.

3 测量的精度分析

利用本文提出的蜂窝复合板导热系数测试装置及方法，解决了蜂窝芯复合板导热系数不可测的难题。

本案中，由于用加热器功率W，代替了试样的散热量Q，忽略了工装的散热Qg，而实际上为W=Q+Qg，因此，产生一定的测量误差。下面分析一下，忽略掉Qg，对测试结果的影响，本案中，工装的厚度g=220，样件的厚度仅20 mm，工装的散热面积Sg=2.2 m2，样件为1 m2，选取工装材料的导热系数g大于蜂窝复合板材料的2倍。从公式（2）知道：散热量与厚度成反比，与散热面积和导热系数成正比。因此，Qg：Q＜即该专利测试的导热系数，误差小于10%.

4 实例

图3为实施案例中，试验装置的结构与尺寸，图4为蜂窝芯试样的结构与尺寸，从图中可知：试样厚度l为0.02 m，截面S为1 m2.本案中加热器功率W=100 W，将以上数据代入（4）式，得到本案例中，导热系数λ的计算公式为：

案例：铝箔蜂窝芯复合板的导热系数测量

蜂窝复合板的材料组成：芯层由铝箔制成的蜂窝板，两侧蒙皮分别为防锈铝板和玻璃钢纤维板。将其按图4尺寸制成试样，安装在图3所示的工装上，接通电源30 min后，安置在封闭箱内的4个温度传感器感应温度保持稳定，分别是：

t1=34.876℃，t2=34.878℃，

t3=34.877℃，t4=34.878℃.此时的环境温度：

To=22℃

由式（6）得：

Ti=（34.876+34.878+34.877+34.878）/4 =34.877℃

由式（7）算得导热系数为：

结论：铝箔蜂窝芯复合板的导热系数为0.1553 W/（m·K），误差不超过10%.

5 结束语

本文根据传热学定义设计出蜂窝复合板的热传导系数测试装置和方法，解决了在常温下蜂窝复合板的热传导系数测试难题，通过上面详细的说明和案例的例举，期望以上的说明能够给后续设计人员的工作提供参考。

[1]张二亮.复合材料层合结构减重优化与瞬态传热分析方法[D].西安：西北工业大学，2006.

[2]解维华.蜂窝芯板有效热导率的数值预报与实验测试[J].哈尔滨工业大学学报，2007（5）：787-789.

Thermal Conductivity Coefficient Test Device and Method for Honeycomb Composite Board

WANG Yi，XUE Min-yi，WANG Chong-liang，LIU Jun-yao
（The 210th Institute of the Sixth Academy of CASIC，Xi’an Shaanxi 710065，China）

According to the definition of heat transfer，and combining with actual cases，a temperature test in the design of cellular composite board device，thermal conductivity by standard test methods，analysis the method and the physical model of alignment，test data accurate，so as to solve heat conduction coefficient of honeycomb composite board in room temperature test problem，for the insulation design of honeycomb composite board provides a quantitative calculation method.

honey comb；composite board；thermal conductivity

TB33

：A

：1672-545X（2017）01-0135-04

2016-10-17

王毅（1984-），男，甘肃白银人，工程师，本科，从事产品结构总体设计。