瞬态平面热源法仪器测试不同温度下 织物导热系数的研究

董陈磊　斯点点　周小红

摘 要：阐述了基于瞬态平面热源法的Hot Disk热常数分析仪的测试原理及测试方法，采用热常数分析仪的薄膜模块探头对棉麻丝毛织物在不同温度下的导热系数进行了测量，验证该仪器对织物导热系数测量的可行性，研究环境温度对织物导热系数的影响。结果表明：热常数分析仪的薄膜模块探头对织物导热系数的测量是可行的，在-20～100 ℃温度范围内，棉麻丝毛织物的导热系数随温度升高而增大;丝毛织物在20～100 ℃温度范围内导热系数变化不大，但丝织物在低温环境下降的幅度较为明显。

关键词：织物;导热系数;瞬态平面热源法;Hot Disk热常数分析仪;温度

中图分类号：TS101.9

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2019）04-0084-05

Study on Heat Conductivity Coefficient of Fabric Test at Different Temperature with Transient Plane Heat Source Instrument

DONG Chenleia， SI Diandiana， ZHOU Xiaohongb

（a.College of Materials and Textiles; b.Key Laboratory of Advance Textile Materials and Manufacturing Technology， Ministry of Education， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：The test principle and method of Hot Disk thermal constant analyzer based on transient plane heat source method were described. The thermal conductivity of cotton， linen， silk and wool woven fabric at different temperatures was measured by thin film module probe of thermal constant analyzer to verify the feasibility of this instrument for measuring the thermal conductivity of the fabric and explore the influence of environment temperature on the thermal conductivity of the fabric. The results showed that it was feasible to measure the thermal conductivity of the fabric by the thin film module probe of the thermal constant analyzer. In the temperature range of -20～100 ℃， the thermal conductivity of cotton， linen， silk and wool fabric increased with the increase of temperature. The thermal conductivity of silk and wool fabric changed little in the temperature range of 20～100 ℃， while that of silk fabric decreased obviously in the low temperature environment.

Key words：fabric; thermal conductivity; transient plane heat source method; Hot Disk thermal constant analyzer; temperature

测试导热系数的方法主要分为稳态法和瞬态法两大类[1-2]。材料导热系数最早采用的实验测量方法是稳态法，较为常用的稳态法有热板法、防护热板法等，其主要特征是保持样品温度梯度不变，建立稳态传热模型，再由傅里叶定律得出被测样品的导热系数。稳态法一般适用于低导热系数的材料，而高导热材料传热速率较快，很难保持温度场的持续稳定;稳态法建立温度场所需时间较长，测试效率低，并且对测量系统的绝热条件及样品尺寸要求较为苛刻。为了克服这些缺点，瞬态法应运而生。在瞬态法中，试样内的温度分布随着时间而变化，是一个非稳定的温度场，记录试样温度的变化速率，进而可以得到导热系数。与稳态法相比，瞬态法测量在稳定热源条件下，样品温度对时间的响应不需要达到热平衡，测量时间短，测试热阻等因素对测量精度影响小，这使得它温度范围和量程广，精确度高。

近些年来，出现了很多瞬态测量方法，较为常见的有热线法、瞬态平面热源法等。热线法[3-4]的测量原理是将一根金属线作为测试系统热源放置在初始温度分布均匀的试样内部，然后金属线两端通电，使其溫度升高，其温升速率与材料的导热性能有关。热线法的优点在于它可以消除样品边界与环境热对流的影响，比稳态法更可靠。而对于薄膜状试样，由于试样厚度和传感器厚度比较接近，测试过程中边界热损失较大，不适合采用此方法测量。杨雨舟等[5]采用热线法TC3000型导热系数测试仪，对玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维在不同排列方向时的导热系数进行了测试，玻璃纤维排列角度为0～90°时的导热系数值在0.1864～0.2966 W/m·K，与文献[6]中所列出常温下玻璃纤维导热系数为0.04 W/m·K有一定差异。瞬态平面热源法[7]由瑞典科学家Gustafsson在热线法的基础上提出的，其原理和热线法基本相同，只是改进了传感器的结构。通过将线热源盘旋成双螺旋结构，形成平面热源，扩大了热源与试样的接触面积，从而减少探头与样品之间的接触热阻。因此这种测试方法非常迅速和便利，同时也具备很高的精度。

本文探讨基于瞬态平面热源法的TPS2500S型Hot Disk热常数分析仪（瑞典凯戈纳斯有限公司）對织物导热性能测试的可行性，并研究环境温度对棉麻丝毛织物导热性能的影响。

1 实验原理及方法

1.1 实验原理

瞬态平面热源法的测量原理[8-9]是假定探头被置于无限大试样中，并以阶跃式或脉冲式的电流通过探头，使探头金属片温度升高释放热量。同时探头也作为传感器，测量试样测试点处探头和试样的温升。温升与时间的关系为：

ΔTave（τ）=P0λrπ3D（τ）=kD（τ）（1）

式中：ΔTave（τ）为探头的平均温升;P0为探头功率总输出;r为探头半径;λ为试样的导热系数;D（τ）为与探头尺寸无关的时间函数。

τ=αtr=tθ（2）

式中：α为试样的热扩散系数;t为测试时间;θ为特征时间，θ=αr2。

令k=P0λrπ3（3）

实验测试探头和试样温升，并作D（τ）的拟合直线图，得到斜率k，并由式（3）计算试样的导热系数λ。

1.2 实验方法

1.2.1 实验准备

TPS2500S型Hot Disk热常数分析仪由样品支架、测试探头、主机和电脑组成。测试环境由BPH-060C高低温试验箱（上海一恒科技有限公司）控制，温度设定为-20、-10、0、20、40、100 ℃。实验准备如下。

a）热常数分析仪主机至少需预热60 min。将试样固定在样品支架上等待测试。

b）根据实验试样类型，在操作软件中，选择“热阻”类型，即薄膜模块（图1）。本文采用7280薄膜探头，半径为14.67 mm，探头金属片外包裹聚酰亚胺。薄膜模块实验分为参照实验和样品实验，参照实验测试探头外聚酰亚胺的导热系数，样品支架则置于高低温箱内。将石英玻璃作为背景材料，薄膜探头水平置于石英玻璃之间（参照实验）或试样之间（样品实验），确保试样平整且与探头接触紧密。如图2所示。

c）样品支架外置隔离罩，防止环境气流运动对测试结果的影响。试样在预先设置并平衡的测试环境中需静置一定时间，以保证测试过程中探头与试样的温度升高只源于探头输出的热量。实验环境温度0 ℃及以上时，试样需静置30 min。0 ℃以下时，试样需静置60 min，以避免试样温度与环境温度存在差异而产生热传递。

1.2.2 实验测试

首先进行参照实验，设置测量时间和加热功率，然后进行样品实验。参照实验可得到聚酰亚胺的导热系数、背景材料的导热系数、热扩散系数及比热容，其中聚酰亚胺的导热系数是样品实验应输入的参数，样品实验还应输入试样的厚度。输入参数后进入主界面，待试样达到静置时间时，点击开始按钮进行测试。仪器在测试过程中，首先对温度漂移进行监测40 s，然后加热探头使其升温。温度漂移是指环境温度的变化，以检测实验是否在稳定的环境温度下进行。测试结束后，主界面会显示温度漂移图（图3）与瞬态曲线图（图4）。

1.2.2.1 温度漂移图与瞬态曲线图

图3温度漂移图，图4瞬态曲线图，曲线显示样品表面温度连续的升高，没有间断或跳跃，符合实验要求。若检测到温度漂移出现明显的上升或者下降趋势，或者瞬态曲线图出现有间断，需重新实验。

1.2.2.2 拟合直线图与残差图

确认温度漂移和瞬态曲线符合要求之后，通过软件计算，得出拟合直线图（图5）与残差图（图6），并输出实验结果。根据式（1），图5拟合直线的斜率为k。

试样在加热测试时间内，主机程序采集200个数据点。图6残差图。在理想的情况下应随机分布在一条水平线附近。

a）残差图的初始部分波动大。这是由于起始数据点会受到来自探头绝缘层和样品界面的接触热阻的干扰，因此要去除这部分数据。

b）残差波动大。如有明显的正弦曲线，这通常是由样品的温度不稳定造成的，应延长平衡时间，待样品温度稳定后实验。

c）残差图末端波动较大。这往往是加热的热波已经达到样品的边界，应去除这部分数据。

1.2.2.3 实验数据

去除残差波动较大的数据后，至少要保留100个数据。实验重复5次，输出结果如表1所示。温度上升与加热功率有关，为了达到较高的测试精度，总体温度升高应合适，应避免温升大而造成不必要的热损失，一般要求总体温度上升在2～5 K之间。总体比上特征时间在0.33～1之间，这样得到的导热系数或热扩散系数是稳定的。总体比上特征时间指测量时间与特征时间的比值，合适的测量时间在特征时间的1/3 到整个特征时间之间。

2 不同环境温度下测量4种典型织物 导热系数的结果与分析

夏季要求穿着凉爽，织物要容易导热，冬季要求穿着温暖，织物导热系数要小，保暖性好。在极端高温工作环境下工作，着装要求隔热好，导热系数低。因此，了解纺织面料在不同环境下的导热系数对研发舒适性服装面料，或者功能性工装面料有一定的实用意义。孙丽萍等[10]采用平板法测试了玻璃纤维、丙纶、涤纶在10～50 ℃之间导热系数的变化规律;丁立等[11]采用平板法测试了-81.8 ℃超低温下的舱外航天服织物芳纶1313、镀铝Mylar层和镀铝聚酯膜等的导热系数。王青利等[12]采用热线法固体导热系数仪分别测量了温度区间为-43～39 ℃、自然状态下和加压状态下北极熊毛纤维在垂直纤维轴向和任意方向上的导热系数。

表2列出由7280薄膜探头在-20～100 ℃的环境温度下测得的棉、麻、丝、毛机织物实验试样的导热系数。

2.1 薄膜探头测量织物导热系数

织物的导热系数与织物的结构、密度、测试环境温度以及空气压力等因素有关。文献[13]中列出常温下棉、麻、丝、毛纤维集合体的导热系数分别为：0.071～0.073、0.053～0.062、0.050～0.055、0.052～0.055 W/（m·K），与表2所列出的实验数据一致，即薄膜探头对织物导热系数的测量是适合的。

2.2 不同环境温度对织物导热系数的影响

图7为棉、麻、丝、毛织物导热系数与温度关系图。

由图7可见导热系数在测试温度范围内与温度呈正相关。棉织物在-20 ℃环境下导热系数为0.052 W/（m·K），0 ℃环境下导热系数为0.061 W/（m·K），100 ℃环境下导热系数为0.069 W/（m·K）。这一般解释为纤维分子热运动频率升高。丝织物和毛织物在测试温度20～100 ℃范围内导热系数变化不大，但当环境温度低于20 ℃时，丝织物的导热系数值下降幅度较为明显，导热系数最小，可见丝织物在低温环境下具有较好的隔热性。

3 结 论

a） Hot Disk热常数分析仪薄膜探头对织物导热系数的测量是适合的。

b） 在-20～100 ℃的测试温度范围内，棉麻丝毛织物的导热系数随温度升高而增大。

c） 在20～100 ℃的测试范围内，丝毛织物导热系数变化不大;在低温条件下的丝织物导热系数下降幅度较为明显。

参考文献：

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