喻力弘 林鹏 张庆庚 张亮
(中国科学院理化技术研究所 北京 100080)
摘 要 针对被测试样聚氨脂塑料硬泡沫的低温性能,采用平板热导仪[1],用稳态法测量其低温热导率。以液氮和液氦作为冷源,用真空绝热、控制冷热板温度,可以获得不同温度下的微分热导率和平均热导率。
主题词 绝热材料 低温 热导率
1 引 言
目前运载火箭低温燃料储箱主体绝热材料采用的聚氨脂塑料硬泡沫,因为含有破坏大气臭氧层的氯氟氢类物质,为国际上逐步禁用的材料,必须寻找新的环保型替代材料。新一代氢氧运载火箭急需低温绝热材料的数据,而聚氨脂塑料硬泡沫替代物的选择必须做大量低温性能的研究和测试。为了需要新建立了低温绝热材料热导率测试装置并开展了对新材料的测量研究工作,获得了可靠的结果。
测量热导率的方法很多,最基本的分类是稳态法和非稳态法。在稳态法中,当一个稳定的热流Q·通过试样时,将在样品上建立一个稳定的温度梯度,由傅立叶定律可得
其中λ(T)是热导率,一般随温度的变化而变化。如果能测得样品沿热流方向两等温面的温差ΔT和两等温面的距离Δl,以及样品的横截面面积S和加热功率Q·,即可得到对应的平均热导率
但是对于不同热导率材料,其样品尺寸选择原则和测试装置是不一样的。对高热导率材料,应选择细长的棒状样品,才能在样品上建立明显温差并准确测量,一般采用热流法测量。对低热导率材料,易于在样品上建立温差,多采用热板法测量,选用厚度小、截面积大的样品,减小偏离一维传热模型的漏热量,提高测量准确度。本试验装置就采用平板法测量。
2 测试装置
本平板热导仪测量装置的设计,参考了兰州物理所朱贤等“绝热材料低温热导率测定方法研究”[2]和中国科学院低温中心韩士吉等“金属材料低温热导测试装置”[3] ,查阅了美国“ASTM隔绝法轴向热流固体材料热导测试实验方法”[4],并借鉴了德国Netzsch热导仪的资料,研制设计了绝热材料的低温热导测试装置,设计测试温区为18 K至300 K。整个装置示意图如图1,低温热导测量恒温器采用真空绝热法平板热导仪和试样处于真空环境中。
将试样加工成直径100 mm,厚度20 mm相同尺寸的两个样品。然后将两试样放入热导仪两块冷板和中心加热板之间,形成冷板、试样、热板、试样、冷板的层叠结构。由于聚氨脂硬泡沫塑料低温收缩系数较大,从室温至20 K长度收缩量可达1.8%,比不锈钢和铜等材料收缩量要大1个数量级,为了避免热导仪的冷热板与试样脱开,影响热导测量结果,热导仪两个冷板之间选用环氧树脂螺栓紧固,环氧树脂收缩率比聚氨脂塑料稍大,低温下只会将试样压得更牢。另外,室温下热导仪装配时采用预压缩方法,让试样与热导仪的冷热板紧密配合,热导率采用试样实测厚度计算。采用预压缩技术尽管会使试样密度偏离自由状态,这样做保证了试样与冷热板始终保持良好的热接触,提高测量结果的可靠性和重复性。
热导仪中心是一个铜板,其上双绕直径0.1 mm的漆包康铜丝作为加热器,并涂上低温胶使加热丝固定和改善热接触。为了减小低温液体的消耗,改善热接触,获得较长的测量时间,平板热导仪吊装在恒温器内液池下方,适当增大冷板与低温介质之间的热阻。热导仪冷板与内液池接触面涂真空硅脂,用螺钉将热导仪导冷板固定在恒温器内液池下方。试样的圆面垂直于水平面,热流方向呈水平方向。
在热导仪的中心加热板和两块冷板上,都装有一只小型陶瓷铂电阻温度计和一只金属壳铑铁电阻温度计用以测量和控制温度。测量温区从4 K到320 K,测温的精度为0.1 K。电阻温度计相对于热电偶测温,不仅灵敏度高,不用参考点,而且测量准确、方便。
整个测试系统由精密数字电压表、程控恒流源、程控多点转换开关组成自动化数据采集系统,计算机根据采集系统所测温度计电阻值、中心热板加热电流和电压完成热导仪各部位温度和中心加热板的加热功率的计算,直接给出实时热导系数。在测试过程中一般每1 min完成一个测量循环。当然也可以根据需要,随时调整测量周期。由于采用了自动化数据采集系统,可以长时间连续测量,记录升降温过程和控温、恒温状态,有利于分析热平衡状态和确定稳态时的热导率,并降低实验工作强度。
3 漏热分析及采取措施
如何准确计算沿样品轴向的热流值相对于其他参数的计算要复杂的多,因此分析样品的传热过程中的漏热就显得十分重要。下面对测试过程的漏热进行具体分析。
(1)剩余气体漏热
在低温恒温器中当压力小于1.33×10 -2 Pa时,气体分子从一个表面到另一个面不会与别的分子相碰。在这样的条件下,从表面1(T1)到表面2(T2)剩余气体的单位漏热量为
式中,R是气体常数,p是压力,M是气体分子质量,α是适用系数α取最大值1。剩余气体为氦气则等式(3)可简化为
在试验中当pmm为1.33×10 -3 Pa ,△T=10 K时,剩余气体漏热为3μW/cm 2,这样气体漏热影响基本上可以忽略。
(2)导线漏热
引线漏热主要是中心加热板上温度计引线和加热器引线的漏热。由Wiedemann-Franz定律,洛伦兹率
(3)辐射漏热
根据Stefan-Boltzmann定律,黑体的辐射力为
针对绝热材料热导率测量温区重点是100 K以下温区,为了简化热导仪的设计并提高实验便利性,目前的热导仪没有采用保护加热器,只是在样品和中心加热板裹了几层喷铝涤纶薄膜,以降低辐射漏热。则100 K以下温区最大漏热热流密度为
100 K以下其漏热低于0.1%。当然,随着测量数据的增加,以及测量精度的提高,100 K以上温区本热导仪可以考虑增加保护加热器,进一步提高热导系数测量的准确度。
4 试验结果和误差分析
试验所测的一系列测定结果如图2所示。所测结果的重复性远大于电测误差
误差分析:
根据稳态法测量热导率的基本原理和相对误差传递公式
沿样品的轴向热流因该等于加热器的加热功率减去各种杂散漏热,而加热功率
电流由恒流源KEITHLEY 220提供的相对误差小于0·05%,电压测量使用KEITHLEY 2002,相对误差小于0.003%
在100 K以下温区其他项漏热相对误差小于1%。因此总的相对误差
5 讨 论
(1)本装置能够连续测量100 K以下任意设定点的微分热导率和平均热导率,并且取得了比较满意的结果。这是其他装置所没有的。随着试验数据的积累和精度的提高,以及测温温区的拓展,如何减少辐射漏热,将成为下一步试验的重点。
(2)由于发泡材料的配方、密度和老化程度,对材料的热导率有实质性的影响,它们依赖于发泡工艺,不同的工艺材料密度不同,所以测试样品与金属材料不同,目前无标准试样,热导率测试结果只能确定在某一范围之内。因此试验结果的重复性和不同材料的可比性是试验的关键所在。
(3)降温过程中真空室充氦气的影响。试验中要测液氢温度下的导热系数,如果真空室不充氦气,绝热材料导热测量装置的中心加热板温度要降到20 K所需时间太长,为了节约试验费用和减少降温时间,要充入适量的氦气到真空室中,但是不能过多,过多会使一部分氦气渗入到样品中,从而使得样品的热导率增大。根据多次试验的结果发现在实验中充大约10 mL(标准状态)左右为宜。
参考文献
1 Gilbo G F.ASTM STP217.Am.Soc.Testing Mats.,1957,18
2 朱贤,冀勇夫,党震,等.绝热材料低温热导率测定方法研究.低温工程,1981
3 韩士吉,张海云.金属材料低温热导率测试装置,第三届全国低温工程学术会议论文集,北京:低温工程编辑部,1993,319
4 The Annual Book of ASTM Standards.E1225-99
