TPS法測定泡沫銅／石蠟復(fù)合

文獻(xiàn)：TPS法測定泡沫銅／石蠟復(fù)合相變材料熱物性張濤，余建祖，高紅霞(北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083)摘要：運(yùn)用瞬態(tài)平面熱源法(TransientPlaneSource--TPS)對4種孔隙率的泡沫銅／石蠟復(fù)合材料熱物性進(jìn)行了測量。以10um厚的鎳金屬按雙螺旋線布置作為測量探頭。泡沫銅材料孔隙率分別為ε=97．79％、ε=96.17％、ε=94．94％和ε=93．26％，經(jīng)線切割加工后向內(nèi)灌入液態(tài)石蠟，凝固后作為測試樣品。在室溫(25±l℃)和常壓下對復(fù)合材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)、熱容及熱擴(kuò)散率進(jìn)行了測量并分析。1、測試原理及方法導(dǎo)熱系數(shù)的測量方法主要分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩種①在穩(wěn)態(tài)測試方法中，測試樣品內(nèi)的溫度分布是不隨時(shí)間而變化的穩(wěn)態(tài)溫度場，當(dāng)樣品達(dá)到熱平衡后，借助測量試樣每單位面積的熱流密度和溫度梯度，就可直接測定樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度場的耗時(shí)較長，并且測量中引人的誤差因素較多，精度有限②在非穩(wěn)態(tài)測試方法中，測試樣品內(nèi)的溫度分布是隨著時(shí)間而變化的非穩(wěn)態(tài)溫度場，借助測量樣品溫度變化的速率，就可以測定樣品的熱擴(kuò)散率，從而得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)。瞬態(tài)測試方法，適合測量的材料導(dǎo)熱系數(shù)的范圍較廣、測量時(shí)間也比較短。本次試驗(yàn)采用瞬態(tài)板熱源(TransientPlaneSource---TPS)法，即瞬態(tài)平面熱源法1.1TPS測試原理

瞬態(tài)平板熱源(TPS)法是利用一個具有雙螺旋圖案排布且熱容和厚度可忽略的導(dǎo)電薄膜作為測量探頭，該探頭在測試過程中既是一個用來加熱樣品的熱源，又是一個用來記錄溫度隨時(shí)間升高的阻值溫度計(jì)。圖1雙螺旋探頭結(jié)構(gòu)當(dāng)探頭通電加熱時(shí)，其電阻值隨時(shí)間的變化可表示為:——假設(shè)探頭和被測樣品完全接觸時(shí)，經(jīng)過一個恒定電流脈沖后的溫度上升平均值，可以表示為：由于探頭的雙螺旋結(jié)構(gòu)，想獲得準(zhǔn)確的D()描述方程比較困難，Suleiman指出，以同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)代替雙螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算對結(jié)果影響不大，尤其當(dāng)無量綱時(shí)間r<3時(shí)，其影響完全可忽略不計(jì)。本文中所使用的擁有15個圓環(huán)探頭的D()函數(shù)如圖2所示。—無量綱時(shí)間。將測得的電阻R(t)對D()作圖應(yīng)當(dāng)?shù)玫揭粭l直線。通過反復(fù)變化進(jìn)行擬合，尋找到正確的值，使R(t)對D()的直線相關(guān)性達(dá)到最大，此時(shí)熱擴(kuò)散系數(shù)就可以由去得到，而熱導(dǎo)率由直線的斜率C計(jì)算得到。1.2測試方法實(shí)驗(yàn)中所用探頭是由厚10μm的鎳金屬按雙螺旋線布置的，螺旋結(jié)構(gòu)兩側(cè)用厚30μm的聚酰亞胺薄膜覆蓋以達(dá)到絕緣和保護(hù)效果。1.3測試樣品實(shí)驗(yàn)中所測樣品泡沫銅孔隙率分別為97．79％、96．17％、94．94％和93．26％，孔密度均為PPI=22．5。實(shí)驗(yàn)中將泡沫銅制作為80mm×80mm×15mm的矩形體，測試時(shí)，在探頭上通以恒定輸出的直流電，由于溫度升高，探頭的電阻值發(fā)生變化，從而使探頭兩端的電壓發(fā)生變化。2、測試結(jié)果及分析2．1測試結(jié)果

在室溫(25±1℃)和大氣環(huán)境下對4種孔隙率的泡沫銅／石蠟復(fù)合材料試件各進(jìn)行了3次測量，測量結(jié)果如表2。2．2物性計(jì)算關(guān)聯(lián)式考慮到熱容所反映的物理含義是單位體積的物質(zhì)升高l℃所吸收的熱量，用式(6)對復(fù)合材料熱容進(jìn)行計(jì)算：為了獲得泡沫銅，石蠟復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)隨泡沫銅孔隙率變化的簡便關(guān)聯(lián)式，在此假設(shè)和分別代表當(dāng)熱流與材料排列平行和垂直時(shí)復(fù)合材料所具有的等效導(dǎo)熱系數(shù)，則這兩種材料復(fù)合的方式，如圖5所示，可以看作是求解復(fù)合材料等效導(dǎo)熱系數(shù)的兩種極端情況的理想化模型。當(dāng)熱流與材料排列平行時(shí)，復(fù)合材料存在最大的等效導(dǎo)熱系數(shù)為：當(dāng)熱流與材料排列垂直時(shí)，復(fù)合材料存在最小的等效導(dǎo)熱系數(shù)為：對于實(shí)際的復(fù)合材料，其等效導(dǎo)熱系數(shù)是介于上述兩種極端情況之間的?？梢约傧霟崃髋c材料排列方式之間存在夾角復(fù)合材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)可用式(9)表示：將式(7)和式(8)代入式(9)得：則按照最小二乘原則最佳擬合函數(shù)關(guān)系為：實(shí)驗(yàn)用泡沫銅與石蠟復(fù)合材料等效導(dǎo)熱系數(shù)就可通過式(10)與式(11)進(jìn)行計(jì)算。運(yùn)用式(6)、式(10)和式(II)對泡沫銅／石蠟復(fù)合材料等效熱容及等效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的對比情況如表4所示以上說明復(fù)合材料熱物性中像等效熱容這類與結(jié)構(gòu)無關(guān)的參數(shù)(如密度、體積相變潛熱等)可直接通過各組分相應(yīng)物性比例加成得到，而等效導(dǎo)熱系數(shù)這種與結(jié)構(gòu)等多種因素相關(guān)的物性需通過實(shí)驗(yàn)測量的方法確定，或是由一定量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得擬合公式進(jìn)行計(jì)算。3、結(jié)論添加高孔隙率泡沫金屬可以在其它熱物性改變不大的情況下大幅提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱和熱擴(kuò)散能力。添加泡沫金屬后復(fù)合相變材料熱物性的計(jì)算應(yīng)分為兩類考慮：與幾何結(jié)構(gòu)無關(guān)的體積參數(shù)(如密度、熱容等)可通過復(fù)合成分相關(guān)物性比例加成的方法得到；而與幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)的物性(如導(dǎo)熱系數(shù)等)，由于泡沫金屬結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且每種混合物又由于各組分物性、相容性等因素的影響，較為準(zhǔn)確的參數(shù)值應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，或足通過一定量的同