隔热材料在航空电子设备中的应用

周 尧，吴 波，汪 杨，董进喜，赵 航

（西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710119）

0 引 言

飞机高速飞行时，由于蒙皮受气动加热作用以及发动机发热的影响，发动机舱温度将急剧升高[1-2]。为了对发动机进行控制和监测，发动机安装有大量电子设备，这些电子设备面临发动机舱恶劣的高温环境。由于大部分电子元器件只能在125 ℃以下的温度工作，过高的温度会导致电子元件失效[3-6]。为了确保发动机舱电子设备处于合适的温度范围，需要使用隔热材料阻隔环境热量传递至电子设备内部。

发动机舱内空间狭小，温度梯度大；发动机连续工作时间长达数十分钟；发动机工作过程中存在强烈的机械振动，这些都对隔热材料性能提出了严苛的要求。

1 隔热材料种类和特性

航空航天领域使用的隔热材料可分为烧蚀类和非烧蚀类[7]。烧蚀类隔热材料是以消耗物质来阻隔热量传递的积极防热材料，包括有机材料或玻璃/酚醛、碳/酚醛、玻璃/有机硅树脂等复合材料，其优点是安全、可靠，隔热性能好，能适应流场变化。对于航空电子设备使用的隔热材料，要求性能稳定且能够反复使用，因而烧蚀隔热材料不适合于航空电子设备使用。

非烧蚀类隔热材料包括：纤维类隔热材料，如陶瓷纤维、玻璃纤维、岩棉制品等[8-10]；多孔隔热材料，如硅酸钙制品、膨胀珍珠岩、蛭石等；泡沫隔热材料，如聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、聚酰亚胺泡沫等；气凝胶隔热材料，如氧化硅气凝胶、有机气凝胶等。

纤维类隔热材料通常为柔性材料，具有重量轻、安装灵活等优点，并且导热率相对较低，但这类材料几何形状难以保持稳定、机械加工工艺性差，因而通常使用这类材料对电子设备进行包裹，适合空间较大、尺寸精度要求低的场合使用。多孔隔热材料导热率相对较高、机械加工工艺性差、强度较低，不适合在电子设备上应用。泡沫隔热材料由聚合物材料经发泡形成。聚氨酯泡沫孔隙率在95 %以上，抗压强度为0.196 MPa，导热率低于0.04 W/m·K，吸水率低、耐老化；酚醛泡沫隔热材料导热率低于0.04 W/m·K，但其脆性强、加工性较差，容易碎裂掉渣。聚酰亚胺泡沫是综合性能较为优异的一种泡沫材料，具有阻燃密度低、柔性好、不掉渣、耐振动冲击、性能稳定等优点，可对其进行封装包裹后在电子设备上应用。气凝胶材料是一种固相多孔纳米网格非晶态功能材料，具有轻质、高比表面积、高孔隙率、极低导热率（最低可达0.001 W/m·K）等特点，单一气凝胶材料强度低，并且对红外辐射遮挡能力差。因此，若要将气凝胶材料用于电子设备隔热，主要须解决气凝胶封装固定、辐射屏蔽以及与电子设备集成组装等问题。

2 隔热材料传热计算

热量在隔热材料内的传递方式通常包括辐射换热、固体传导。

对于一般隔热材料，固体传导可采用傅里叶定律计算，则有：

式中：λ是导热率，又称导热系数；A是热量传导路径的截面积；Δt是材料两侧表面的温差；L是材料厚度。

对于辐射，可根据波尔兹曼定律计算，则有：

式中：ε为系统发射率（系统黑度）；σ为波尔兹曼常数；T1、T2分别为高温面、低温面温度。

对于气凝胶材料，气相导热率可根据下式计算：

式中：λg0是孔洞中气体的导热率；∏是材料的孔隙率；α是与气体有关的常数；Kn是努森数。

固相导热率可根据下式计算：

式中：ρ′和ρs是气凝胶和固相骨架的密度；υ′和υs是气凝胶和固相骨架的声速；λs是固相的热导率。

辐射导热率可根据下式计算：

式中：σ是波尔兹曼常数；n是折射指数；Ks是消光系数。

3 隔热材料导热率测试方法

导热率是隔热材料最重要的物理参数，导热率的值可以通过理论计算和试验测试方法得到，但由于隔热材料成分和结构的复杂性，理论数学模型通常难以准确描述隔热材料内热量的传递，隔热材料的导热率一般采用试验测试的方法得到。目前，常用的测量材料导热系数的方法主要分为稳态法和非稳态法。稳态法是指在待测试样内建立不随时间变化的温度场，使热量达到一维传导的状态，测量温度梯度和试样单位面积上的热流量，就可以确定材料的导热系数。稳态法主要有防护热板法、热流计法、水流量平板法等，非稳态法有热线法、瞬态平面热源法、激光闪射法等。

防护热板法是测量绝热材料导热系数的优良方法，防护热板法（Guarded Hot Plate Method, GHP）的测试机理如图1所示。两块相同的待测试样交替地夹在冷、热板之间，热量由中心计量面板与内防护面板垂直通过试样传递到冷却面板上，而外防护面板的温度为冷、热板的平均温度，以降低试样的边缘热交换，进而保证试样上能形成一维垂直热流。此外，若将其中的一块试样换作辅助加热模块，就可构建单试样结构的测试装置。

图1 防护热板法测试导热系数原理示意图

当试样中形成稳定温度梯度后，测量各模块的温度和热功率，就可以计算得到试样的导热系数，其计算公式如下：

式中：λ为试样导热系数；Q为计量面板的加热功率；L为待测试样的厚度；A为热量传导路径截面积；Th为试样热面温度；Tc为试样冷面温度。

4 结 语

本文对隔热材料的种类和特性进行了分析，研究了隔热材料应用于电子设备的方式和主要问题，并总结了热量在隔热材料内传递的主要计算方法以及隔热材料导热率的测试方法，以指导隔热材料在电子设备上的工程设计应用。