CN103499604A - 蜂窝复合板导热系数测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蜂窝复合板导热系数测试装置，采用木板制成箱体，箱体上端开口，下端与地面之间通过垫木隔离，箱体内壁覆盖绝热材料作为衬垫，衬垫之间填充密封胶，箱内底部中间安置一电热器，箱体内四角分别安装一温度传感器，以四个温度传感器的平均测量值作为箱内温度T_i，在箱体外设置一温度计测试环境温度T_o，四个传感器和电热器的导线通过箱底的转接板导出箱外，分别连接箱外的温度显示仪表和电源；测试时，将试样作为盖子封闭箱体开口，并用胶带密封。本发明能够测量蜂窝芯复合板导热系数，误差小于10%。

Description

蜂窝复合板导热系数测试装置及方法

技术领域

本发明属于传热性能测试技术领域，涉及蜂窝复合板材料的传热分析及应用。

背景技术

目前，由于蜂窝复合板兼具优良的隔热性能和机械刚度，被广泛应用在保温隔热场合。然而，因没有蜂窝复合板的具体导热系数，工程上应用上往往靠设计师的经验进行估计，没有科学的数据支持，严重阻碍了蜂窝复合板的使用领域，且工程师为了设计稳妥，往往造成了大量的材料资源浪费，资料显示，许多研究人员正在努力的研究解决方法，截止目前，提出的一些在高温状态下（200℃以上）测试蜂窝复合板导热系数的方法，这对于现实的工程领域来讲没有意义，测出的结果只能用于参考而已。

现有的材料导热系数测试按测量方法分为两大类，即非稳态法和稳态法；非稳态法根据工作原理又分为：热线法、激光闪射法和平面热源法三种，此三种方法最大的优点是耗时短，仅几秒钟就可得到结果，且对试样大小没有要求，因此获得了广泛应用。由于非稳态法的测量过程需通过材料的密度或比热获取或通过计算得出导热系数。因此该法只适用于密度均匀的材质，而蜂窝复合板这类材料，是由气体和固体组合而成，固体中既含有金属又含有非金属，它们的密度和比热差异巨大，因此所有非稳态法不适用于蜂窝复合板这类材料。稳态法的测试方法主要为保护平板法，原理如图1所示：将厚度一定的方形试样3（通常长宽各30cm，厚10cm）***于加热板1和冷板5，设置一定的温度梯度。使用校正过的热流传感器2、4测量通过样品的热流，传感器2、4在平板与样品之间和样品接触。测量样品厚度、温度梯度与通过样品的热流便可计算导热系数。由于蜂窝芯复合板的结构特点，如图2所示：由于内外蒙皮大多为金属材料6，即热的良导体，导热性能良好，而芯层一般由热的绝缘材料7组成，两者的导热性能相差数万倍，导致加热板1产生的热量几乎全部沿蒙皮散掉，没有稳定的热流穿过试样，位于冷板5上的传感器4当然也测不到热流，因此，平板法也测不出蜂窝芯的导热系数。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种常温下测试蜂窝复合板导热系数的装置，与物理模型的吻合度好，测量数据精确。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种蜂窝复合板导热系数测试装置，包括一个木板制成的箱体，箱体上端开口，下端与地面之间通过垫木隔离，箱体内壁覆盖绝热材料作为衬垫，衬垫之间填充密封胶，箱内底部中间安置一电热器，箱体内四角分别安装一温度传感器，以四个温度传感器的平均测量值作为箱内温度T_i，在箱体外设置一温度计测试环境温度T_o，四个传感器和电热器的导线通过箱底的转接板导出箱外，分别连接箱外的温度显示仪表和电源；测试时，将试样作为盖子封闭箱体开口，并用胶带密封。

所述木板的厚度为10～25毫米；所述的衬垫厚度大于200毫米；所述温度传感器的感应头距箱体内壁90～100毫米；所述的垫木厚度超过100毫米。

本发明还提供一种蜂窝复合板导热系数测试方法，包括以下步骤：

接通电源，当温度显示仪表显示的箱内温度持续30分钟不变，则认为箱体内外已经达到平衡，记录此时温度；计算出导热系数

式中：W为电热器功率，l为试样厚度，S为试样有效散热面，S=a²，a为试样有效边长。

本发明的有益效果是：利用本发明提出的蜂窝复合板导热系数测试装置及方法，解决了蜂窝芯复合板导热系数不可测的难题。

附图说明

图1是平板法测试原理图；

图2是蜂窝芯复合板结构图；

图3是测试工装图；其中，（a）为测试工装剖视图，（b）为箱体俯视图；

图4是测试用试样图；其中，（a）为蜂窝芯侧视图，（b）为蒙皮俯视图；

图5是测试过程示意图；

图中，1-加热板，2-传感器，3-方形试样，4-传感器，5-冷板，6-金属材料，7-热的绝缘材料，8-箱体，9-衬垫，10-密封胶，11-垫木，12-温度传感器，13-电热器，14-转接板，15-温度计，16-电源，17-温度显示仪表，18-试样，19-胶带，20-蜂窝芯，21-外蒙皮，22-内蒙皮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

一、导热系数的测试理论：

由傅立叶定律知道，通过一定点的热流速率

正比于其截面S，以及在该点所取垂直面上的温度梯度

即 $\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\λS}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dl}}---\left(1\right)$

式中：Q为稳态时通过试样有效传热面积的热量，单位为J；

t为牛顿时间，单位为s；

λ为导热系数，单位为W/（m·K）；

S为截面面积，单位为m²；

T为该点所取垂直面上的温度，单位为℃；

l为试样厚度，单位为m；

比例因子λ又称为导热率，也称导热系数。

平板导热仪使热流以单向稳定状态传递的条件下工作的。因此，热流速率

为一恒值，温度梯度

为

此时方程（1）可表示为

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\λS}\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Δl}}---\left(2\right)$

式中：ΔT为该点所取垂直面上的温度差，Δl为该点所取垂直面上的厚度差。

将已知厚度为l的试样置于试验装置内，使其热面和冷面之间保持一个恒定温差，热流从热面通过试样流至冷面后，被量热器中的冷却水吸走。根据在单位时间内流经中心量热器的水的温升和水流量可计算出冷却水所吸收的热量。

由式（2）可得：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{Ql}}{S(T_1-T_2)}---\left(3\right)$

式中：T₁为试样热面的温度，T₂为试样冷面的温度。

二、本发明的内容为：

首先用10～25毫米厚的5块木板，制成一个无盖的箱体8，如图3所示，箱体的内壁衬垫9用绝热材料如加入阻燃剂的聚氨酯泡沫材料制作，衬垫厚度大于200毫米，5块衬垫之间形成的缝隙用密封胶10密封，箱体内部空间尺寸为a×a×c毫米，箱内底部中间安置一电热器13，电热器13功率W固定，另在箱体内部每个侧板中心设置一温度传感器12，感应头距侧壁90～100毫米，测量箱内温度T_i，箱内的温度T_i由四个温度传感器12的测量值的平均值代替，同时，在测试环境也设置一温度计15测试环境温度T_o，四个传感器和电热器的导线通过箱底的转接板14导出箱外，分别与箱外的电源16和温度显示仪表17相连。

试样要求：图4是测试测试试样18的形状和尺寸，即将需要测试导热系数的试样按图3制作。测试时，首先，用垫木11将箱体垫离地面超过100毫米，将试样18作为箱体8的盖子盖在箱体8的上面，再用胶带19密封，如图5。

测试过程：接通电源，一般半小时后，温度就会平衡，判断平衡的条件是：当仪表17显示的温度，在平衡后，持续30分钟仍保持不变时，就认为箱体内外已经达到平衡，记录此时温度。并按下述公式（4）计算出导热系数λ。公式（4）是公式（3）的变形，公式（4）中用电热器13的功率W代替公式（3）中的Q，试样热面的温度公式T₁用箱内温度T_i代替，试样冷面的温度T₂用测试环境温度T_o代替：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{wl}}{S(T_i-T_o)}---\left(4\right)$

式中：W电热器功率，小于500瓦。

l蜂窝芯试样厚度，小于0.02米。

S蜂窝芯试样有效散热面，平方米。

S=a²(5)

式中：a蜂窝芯试样有效边长。

T_i测试箱内温度，度。

T_i=（t₁+t₂+t₃+t₄）/4（6）

式中t₁、t₂、t₃、t₄：分别为箱内四个温度传感器测出的温度，度。T_o测试环境温度，度。

本发明中，由于用加热器功率W，代替了试样的散热量Q，忽略了工装的散热Q_g，实际上W=Q+Q_g，下面理论分析一下，忽略掉Q_g，对测试结果的影响，本案中，工装的厚度l_g=220，样件的厚度仅20，工装的散热面积S_g=2.2平米，样件为1平米，选取工装材料的导热系数λ_g大于蜂窝复合板材料的2倍。从公式（2）知道：散热量与厚度成反比，与散热面积和导热系数成正比。因此，Qg：

即该发明测试的导热系数，误差小于10%。

三、实施例：

图3为实施例中试验装置的结构与尺寸，图4为蜂窝芯试样的结构与尺寸，从图中可知：试样厚度l为0.02米，截面S为1平方米。本案中加热器功率W=100瓦，将以上数据代入（4）式，得到本案例中，导热系数λ的计算公式为：

$\mathrm{\λ}=\frac{2}{T_i-T_o}W/(m\·K)---\left(7\right)$

实施例1：铝箔蜂窝芯复合板的导热系数测量

蜂窝复合板的材料组成：芯层由铝箔制成的蜂窝板，两侧蒙皮分别为防锈铝板和玻璃钢纤维板。将其按图4尺寸制成试样，安装在图3所示的工装上，接通电源30分钟后，安置在封闭箱内的4个温度传感器感应温度保持稳定，分别是：

t₁=34.876℃,t₂=34.878℃,t₃=34.877℃,t₄=34.878℃。

此时的环境温度：

T_o=22℃

由式（6）得：

T_i=（34.876+34.878+34.877+34.878）/4=34.877℃

由式（7）算得导热系数为：

结论：铝箔蜂窝芯复合板的导热系数为0.1553瓦/（米·开），误差不超过10%。

实施例2：纺纶蜂窝芯复合板的导热系数测量

纺纶纸复合板的材料组成：芯层由纺纶纸制成的蜂窝板，两侧蒙皮均为防锈铝板。将其按图4尺寸制成试样，安装在图3所示的工装上，接通电源50分钟后，安置在封闭箱内的4个温度传感器感应温度保持稳定，分别是：

t₁=86.455℃,t₂=86.455℃,t₃=86.453℃,t₄=86.455℃。

此时的环境温度：

T_o=20℃

由式（6）得：

T_i=（86.455+86.455+86.453+86.455）/4=86.454℃

由式（7）算得导热系数为：

结论：铝箔蜂窝芯复合板的导热系数为0.0301瓦/（米·开），误差不超过10%。

Claims (3)

1.一种蜂窝复合板导热系数测试装置，包括一个木板制成的箱体，其特征在于：箱体上端开口，下端与地面之间通过垫木隔离，箱体内壁覆盖绝热材料作为衬垫，衬垫之间填充密封胶，箱内底部中间安置一电热器，箱体内四角分别安装一温度传感器，以四个温度传感器的平均测量值作为箱内温度T_i，在箱体外设置一温度计测试环境温度T_o，四个传感器和电热器的导线通过箱底的转接板导出箱外，分别连接箱外的温度显示仪表和电源；测试时，将试样作为盖子封闭箱体开口，并用胶带密封。

2.根据权利要求1所述的蜂窝复合板导热系数测试装置，其特征在于：所述木板的厚度为10～25毫米；所述的衬垫厚度大于200毫米；所述温度传感器的感应头距箱体内壁90～100毫米；所述的垫木厚度超过100毫米。

3.一种利用权利要求1所述装置的蜂窝复合板导热系数测试方法，其特征在于包括下述步骤：接通电源，当温度显示仪表显示的箱内温度持续30分钟不变，则认为箱体内外已经达到平衡，记录此时温度；计算出导热系数

式中：W为电热器功率，l为试样厚度，S为试样有效散热面，S=a²，a为试样有效边长。

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