航空复合材料的热导率如何测定

什么是热导率

当材料内部存在温度梯度时，热能就会从高温区向低温区流动，这就是热传导，傅里叶热传导定律是这类问题的基础理论。

q=-λgradT

式中

q--热流，表示单位时间通过单位面积的热量；

gradT--表示温度梯度；

λ--表示单位温度梯度下的热流密度。

λ，即热导率，可以看出，它是一个和材料导热能力相关的量。不同的材料，热导率也不尽相同，即使是同种材料，在不同的温度环境下，其热导率也不相同。对于复合材料而言，热导率也体现出各向异性的特性，因此，在不同方向上，复合材料的热导率是不同的。

热导率测试方法一般可分为稳态法和非稳态法两类，两类方法各自具有不同的特点，可根据不同的需要选取。

稳态法中试样处于稳态温度场中，在测试环境达到热平衡状态时，测定单位时间里通过试样单位面积上的热量、温度梯度以及几何尺寸等，再由傅里叶定律直接计算热导率。这类方法的主要特点是设备相对简单，测试准确，数据处理方便，但是需要在稳态温度场下测试，需要的时间很长。

非稳态测试法中，测试是在非稳态温度场下完成的，通常使试样的某一部分产生突然的或者是周期性的变化，在试样的另外部分记录温度随时间的变化关系，再根据由特定边界条件所导出的非稳态导热方程，求解出热导率。这种测试方法的特点是：测试速度快，并且有些非稳态方法还能同时测出热导率、导温系数和比热容。此法的主要缺点是需要较复杂的设备，而且因为导热方程的边界条件在测试过程中无法完一全一满足，因而测试误差较大。

相关标准

GB3139-2005纤维增强塑料导热系数试验方法；

ASTM C177-2010Standard Test Methods for Steady-State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded Hot-Plate Apparatus；

ASTM E1225-2009Standard Test Methods for Thermal Conductivity of Solids by Means of the Guarded-Comparative-Longitudinal Heat Flow Technique ；

ASTM C518-2010Standard Test Methods for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus.

试验原理

采用平板稳态法测定复合材料的热导率，测定热导率方法的基本原理是：调节主加热板与护加热板以及主加热板与底加热板之间的温差，使之达到平衡。达到稳定状态后，测定主加热板的功率和试样两面的温差。

护加热板法是在稳定状态下，单向热流垂直流过板状试样；通过测量在规定传热面积的一维恒定热流量及试样冷热表面的温差，可以计算出试样的热导率。

试验装置

加热板：由主加热板和包围主加热板并有一定间隙的护加热板组成，加热板的边长或直径一般是100mm，护加热板的宽度是加热板边长或直径的1/4，并有适当保温措施。主加热板表面各点温差不大于稳定状态下试样两面温差的2%，但最大不得大于0.5℃。护加热板表面各点温差不大于稳定状态下试样两面温差的5%，最大不得大于1℃。加热板表面的不平度应不大于0.25mm/m。

冷却板：板内应具有螺纹式双向液体回路，冷却板的尺寸及接触试样表面状态与加热板相同，但冷却板不设间隔。

试样

试样的尺寸应满足：试样的边长或直径与加热板相等，试样的厚度至少是5mm，最大不大于其边长或直径的1/10。

试样的表面应平整，表面不平度不大于0.5mm/m，试样的两侧应平行。

试样应在不影响材料性能的前提下，烘至恒重或按照产品技术要求处理，但最高温度不得大于105℃。这里所说的恒重是指试样在处理温度下，相隔2h重量变化不大于0.2%。

每组有效试样数量不少于3个。

试验要点

安装试样时应注意消除空气夹层调节主加热板与护加热板以及主加热板与底加热板之间的温差，使之达到平衡。

达到稳定状态后，测定主加热板的功率和试样两面的温差。

结果计算

热导率入按下式计算：

式中

λ--热导率，W/(m·K)；

W--主加热板稳定时的功率，W：

d--试样厚度，mm；

S--主加热板的面积，cm2；

△t--试样两面的温差，℃。