“水立方薄膜（ETFE膜）热传导特性”创新实验的初步探讨

林琦 曹立翔

摘  要：大学生创新实验项目是我国高等教育培养当代大学生创新能力的一项重要举措，它旨在培养大学生的创新意识和动手能力。该文对创新实验“水立方薄膜（ETFE膜）热传导特性”做了初步探讨，综述了水立方薄膜（ETFE膜）的各项物理特性，对计划采用的导热系数测量方法做了初步设想，并进行了深入的推导，得到了测量关系式，为下一步的正式测量打下了坚实的基础。

关键词：创新实验  ETFE膜  物理特性  导热系数

中图分类号：TB383.2                        文献标识码：A文章编号：1672-3791（2020）12（c）-0237-03

Preliminary Discussion on Innovative Experiment of "Thermal Conduction Characteristics of Water Cube Film （ETFE film）"

LIN Qi1  CAO Lixiang2

（1.School of Mathematics Physics and Statistics， Shanghai University of Engineering Science; 2.School of Electronics and Electrical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai  201620  China）

Abstract： College Students' Innovation Experiment Project is an important approach to cultivate the innovative ability of contemporary college students in our country. It aims to cultivate college students' innovative and practical ability. In this paper， the innovative experiment "Thermal conduction characteristics of Water Cube Film （ETFE film）" is discussed. The physical characteristics of Water Cube Film （ETFE film） are summarized. The method planned to be adopted for the thermal conductivity measurement is initially discussed and the measurement formula is obtained， which lays a solid foundation for the formal measurement in the next step.

Key Words： Innovative experiment; ETFE film; Physical properties; Thermal conductivity

大學生创新实验是21世纪我国高等教育培养当代大学生创新能力的一项重要举措，它旨在纠正我国高等教育中长期存在的重理论、轻实验尤其是开放性实验的弊端。在传统的物理实验教学中，我国长期以来更关注于对已有物理理论的实验验证，得到的测量值通常都有可比较的参考对象，如理论值或更高精密度的实验值。学生在实验时处于按部就班的状态，每一个操作步骤都有既定的标准，哪里出现差错都可以在老师的指导下及时纠正，数据是否有异常，只要学生理解相关的物理理论知识，也可以及时做出判断，然后对仪器做出相应的调整，对实验步骤做出相应的反思。也就是说，在此过程中学生的思维不是开放的，是向着一个有确定答案的目标前进，这种进行实验的方式是必要的，它可以巩固并加深学生对所学物理知识的理解，去了解如何通过实验重现理论中的物理现象。但如果仅限于此，对于培养学生的开放性思维和创新能力是不够的，学生无法体会真实的科学实验是如何进行的。真实的科学实验在有一个实验目标后，并没有一个现成的答案供你参考，你需要自主确定实验中所要采用的方法，然后自行推导相关的物理测量关系式，再去确定具体的实验方案，测量数据、分析数据、改进实验方案、完善并处理数据，最后给出结论、展望或物理解释。在创新性实验中，学生将会把这一真实的科学实验过程完整地经历一遍，这对培养大学生的知识运用能力、实验动手能力以及分析和解决问题的能力大有裨益，大学生的学习潜力也将得到激发，为将来有志于从事科研的学生打下坚实的基础。

在这篇论文中，我们将就创新实验“水立方薄膜（ETFE膜）热传导特性”做一个初步探讨，首先综述水立方薄膜（ETFE膜）的其物理特性，其次将就采取何种方法测量ETFE膜的热传导系数做一个初步设想，并经过推导得到测量关系式，最后给出结论。在这一过程中，学生通过文献的检索、实验方案的设计以及测量关系式的推导，深刻体会到了如何去对一个完全开放的科学实验做好前期的调研和准备。

1  水立方薄膜（ETFE膜）的物理特性

ETFE是英文Ethylene Tetra Fluoro Ethylen的缩写，中文名称为乙烯-四氟乙烯共聚物，ETFE是一种无色、透明的颗粒状结晶体，具有优良的耐擦伤性和耐磨性，而且ETFE还具有耐高温和耐腐蚀的特性，在高温条件下，强酸碱和强氧化化学溶剂对ETFE膜均不起作用，是一种安全性很高的膜材料。ETFE膜的耐化学腐蚀性与聚四氟乙烯相似，又克服了聚四氟乙烯对金属的粘着性较差的缺点，在化工设备领域，可以作为化学金属设备与配件优良的防腐蚀衬底材料。而且其抗形变性和压缩强度也比聚四氟乙烯好，拉伸强度高，拉伸率最大可达300%左右，是一种优秀的建筑材料[1-2]。

ETFE膜作为建筑材料的优点是多方面的。第一，它的重量非常轻，与建筑用玻璃幕墙相比，重量仅为后者的1%，这对于大跨度的、比较复杂的建筑结构尤其是顶部结构，可以大大降低施工难度，并可以节约60%以上的建筑成本，因此在大型公共场馆如体育馆、文化馆等建筑中可以大规模使用。第二，ETFE膜有很高的强度和延展性，抗震性能优良，拉伸量可达到其原来长度的3倍而不发生破裂。在用于建筑的外部建造材料时，可以很好地满足高温差的环境条件，不会由于材料的热胀冷缩而影响建筑的结构稳定。第三，ETFE膜表面不容易积存污垢，容易清洁。由于其表面独特的无孔结构，所以ETFE膜的表面非常光滑，环境中的灰尘、雨雪都不容易附着在它的表面，这个特点大大降低了建筑外表的清洁频次。第四，ETFE膜可以使建筑的外墙更具装饰性。ETFE膜通常以“气垫组块”的形式应用于建筑，这些“气垫组块”可以通過加热的方式连接在一起。这种建材拼接方法，可以使ETFE膜比玻璃幕墙建材安装得更长、更宽。而且由于“气垫组块”内部中空，因此可以在其内部安装各种颜色的发光二极管照明装置，庞大数量的发光“气垫组块”可以构成一面巨大的装饰屏幕。第五，ETFE膜具有优良的防火特性。燃烧时膜材不会滴落，甚至会自熄，大大降低了建筑的火灾风险和损失程度，而且由于ETFE膜质量很轻，因此即使在由于火灾导致ETFE膜融化这种最坏的情况下，对救灾的进行也具有相当的优势[3-7]。

在建筑领域，膜结构材料自20世纪60年代起开始应用，因为其建筑造型简洁优美以及卓越的光学、力学、自洁等性能受到广泛的赞誉。2008年亮相的北京奥运会的“水立方”游泳馆就是其中的卓越代表，它所采用的ETFE膜让阳光的热量可以通过它的墙壁和屋顶，用来加热建筑物的水系统，而如果建筑太热，又可以通过墙壁和屋顶的通风口排出热量，大大提高了建筑对自然能源的利用效率。

2  水立方薄膜（ETFE膜）的导热系数的实验测量方法

通过上述对ETFE膜的物理特性的介绍，我们对该种膜材有了深入的了解，而它的导热性能也是一个重要的物理特性，我们希望借助现有的实验设备对ETFE膜的导热系数做一个科学的测定。

对于本科创新物理实验，我们计划采用稳态法测量ETFE膜的热传导系数。这种方法使用的仪器比较简单，实验者通过较短时间的自主摸索就能掌握仪器的使用方法，利用本科已掌握的物理知识对稳态法的物理过程也可以分析透彻，进而推导出相应的物理测量关系式。在稳态法测量导热系数时，实验者将待测样品放置在仪器金属加热圆盘和金属散热圆盘之间作为导热介质，将电流加载到加热圆盘上的电阻丝，电流产生的热量通过金属圆盘传递给待测样品，再传导到金属散热盘，最终热量释放到周围环境。当加热盘和散热盘的温度达到稳定时，待测样品的上下表面温度也同时达到稳定，样品内部就形成一个稳定的温度梯度场，稳态法就是通过这个物理过程来测定样品的导热系数。根据其实验原理要求，ETFE膜样品的上下表面要与加热盘和散热盘紧密接触。同时样品必须与加热盘散热盘同形状，而且为了减少侧面积所散发热量的占比，样品应加工成薄饼状，这样其侧面积相比上下表面积要小得多，可以认为热量只沿着样品上下表面的垂直方向传递。实验时，我们将会把ETFE膜根据散热盘的形状裁剪成圆盘状，当传热达到稳定状态时，ETFE膜上下表面的温度θ1和θ2在一个较长的时间段里保险稳定不变，这时就可以认为加热盘单位时间通过ETFE膜传递的热量与散热盘单位时间向周围环境散发的热量相等。因此可以通过测量计算散热盘在稳定温度时的散热速率来求出加热盘单位时间所传递的热量，即：

（1）

式中，表示单位时间加热盘通过样品传递的热

量，在稳态法中ETFE膜样品中的温度场是稳定的，因此该量应为常数;m为散热盘的质量;c为散热盘材料的比热容。再利用傅立叶热传导公式，可以将ETFE膜样品的导热系数引入关系式，经推导，可以得到用于实验测量的物理关系式为：

（2）

式中，为ETFE膜的导热系数;θ1为加热圆盘温度;θ2为散热圆盘温度;h为ETFE膜样品厚度;S为ETFE膜样品上表面或下表面的表面积。为了在ETFE膜样品中建立明显的温度梯度场，我们计划将多层ETFE膜样品不断密实堆叠直至样品的测量厚度达到2 cm左右。

3  结语

通过对文献的阅读检索我们对ETFE膜有了较为深入的了解，在实验方法设计中，我们充分考虑了本校物理实验室的实际，并做了详细的推导，得到了测量关系式，这将为“水立方薄膜（ETFE膜）热传导特性” 创新实验的下一步正式测量打下坚实的基础。

参考文献

[1] 侯亦南.“水立方”的ETFE充气膜结构技术概述[J].工程建设与设计，2019（22）：7-8.

[2] 曹影.乙烯、四氟乙烯多元共聚物的应用与研究[D].济南大学，2019.

[3] 任慧芳，陈伟峰，余考明，等.ETFE膜材在建筑领域的应用[J].有机氟工业，2020（2）：53-56，64.

[4] 张英.ETFE膜结构在建筑中的应用[J].新型建筑材料，2019，46（1）：138-141.

[5] 杜雪娟.ETFE氟聚合物助力地铁站[J].现代塑料加工应用，2017，29（1）：63.

[6] 肖宁.ETFE薄膜材料在城市有轨电车车站设计中的运用[J].建材与装饰，2016（44）：114-115.

[7] 李云龙.浅谈ETFE膜结构的应用[J].江西建材，2016（8）：124，128.