CN105784758A

CN105784758A - 一种测定纤维导热系数的方法

Info

Publication number: CN105784758A
Application number: CN201610156740.3A
Authority: CN
Inventors: 肖俐; 刘晓霞
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai University of Engineering Science
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2016-07-20

Abstract

本发明涉及一种测定纤维导热系数的方法，该方法首先是通过缠绕法或胶粘法将待检测纤维均匀平行缠绕或胶粘成N种不同排列角度的测试样，再依次进行测试样导热系数的测定及数据处理。与现有技术相比，本发明测试原理简单，制样过程方便，且不破坏样品的内部结构，测试稳定，可直观反映该纤维导热系数在纤维不同方向上的整体分布，可以解决现有技术不能明确纤维各向结构与导热系数的对应关系的问题，并且实现热线法测试非均质或各向异性材料的导热系数，能综合评价纤维导热性的优劣。

Description

一种测定纤维导热系数的方法

技术领域

本发明属于材料导热系数测定技术领域，涉及一种测定纤维导热系数的方法。

背景技术

纤维是一类柔软、细长的材料，被广泛应用于航空航天、医疗、军事、能源、建筑等工程领域，其导热系数的大小是影响不同纤维品种应用范围的重要因素之一。因此，对纤维的导热系数进行测定并进一步评价其导热性能具有十分重要的意义。然而，由于纤维形态特殊，尺寸纤细，因而单根纤维导热系数的测量难度较大，目前尚无纤维导热系数标准化的测试方法。对于纤维导热系数的评价，大多是对纤维/树脂复合材料进行测试来获知整体材料的导热性能，也有直接用纤维束的导热系数来表示纤维导热性能的做法，但是该方法制样过程复杂耗时，对制样的技术要求较高，影响测试结果的因素较多，且由于纤维单丝存在结构、导热性能方面的各向异性，故还存在不能明确纤维结构与性能对应关系的问题。

材料导热性能的测试方法有稳态的双平板法和保护热板法，也有非稳态的热线法、平面热源法和激光闪射法。热线法具有测量时间短、测量精度高、适用范围广等优点，可作为测试纤维导热系数的基本方法。其测量原理为：假定固体介质中存在一个理想的无限细且无限长的线状热源(即热线)，在该线状热源的作用下，线状热源本身及周围的温度都将上升，且线状热源温度上升的快慢将取决于其周围介质导热系数的大小。

热线法的热源为线状，与热流方向为点状或四散状的热源不同，线状热源的热流在待测试样中的传递具有一定的方向，故更适合于测量均质或者各向同性的材料，而对非均质或各向异性材料的测量则存在明显的局限。绝大多数的纤维与均质材料不同，其结构存在各向异性，因而其热传递也具有各向异性的特征，所以纤维导热性能的测量是一个技术难点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测试原理简单，制样过程方便，能够有效提高纤维导热系数测量准确度，并能明确纤维各向结构与导热系数对应关系的基于热线法技术测定纤维导热系数的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种测定纤维导热系数的方法，该方法具体包括以下步骤：

(1)试样的制备：通过缠绕法或胶粘法将待检测纤维均匀平行缠绕或胶粘成N种不同排列角度的测试样，每种排列角度的测试样由至少2个平行试样构成；

(2)测试样导热系数的测定：

(2-1)将步骤(1)制得的测试样置于恒温恒湿环境中稳定10-30h；

(2-2)将步骤(2-1)稳定后的测试样置于导热系数仪上，并将热线传感器置于两个平行试样的中间，形成夹层结构，进行导热系数的测定；

(3)数据处理：

(3-1)选取一点作为圆点，以该圆点为起点向外作出N’条沿圆周等分的射线，每条射线代表一个坐标轴，每个坐标轴对应一种排列角度；

(3-2)围绕圆点，由内向外作n个同心圆，每个同心圆对应一个导热性能等级，并且同心圆对应的导热性能等级由内向外依次增大；

(3-3)将步骤(2-2)测得的不同排列角度的测试样的导热系数值，标记在相应的坐标轴上即可；

其中，N＝N’，3≤N≤12，且N为整数；2≤n≤10，且n为整数。

步骤(1)所述的缠绕法包括以下步骤：

A)将一根待检测纤维按设定角度平行且均匀地缠绕在缠绕骨架上，控制缠绕圈数≥3圈，经压板压合定型，移去压板，抽出缠绕骨架，即制得平行试样；

B)重复步骤A)至少2次，即制得测试样。

所述的缠绕骨架为长方体骨架，该长方体骨架的长度≥40mm，宽度≥30mm，厚度≥0.3mm。

需要说明的是，所述的缠绕骨架为软硬适中的任意材质的薄片，尺寸大小由具体的测试样品尺寸而定。平行缠绕为平行于缠绕骨架的边进行缠绕，绕制方式一致，依次重复绕制至少3圈。

所述的压板为有机玻璃压板。

作为优选的技术方案，所述的有机玻璃压板的长度为50mm，宽度为40mm，厚度为10mm。

在进行压合定型时，在压板上放置1000g的砝码，控制承重时间≥1h，承重过程可使待检测纤维压合成片，用以增强相邻纤维之间的贴合强度，避免在缠绕骨架取出时，纤维圈出现脱散的情况。在抽出时，可使用辅助工具来固定平行试样，这样也有利于避免纤维随着缠绕骨架的抽出而松散。

在实际缠绕时，可将待检测纤维在缠绕骨架上由起点A缠绕至终点B，完成第一圈缠绕，再由终点B返回缠绕至起点A，完成第二圈缠绕，依次往返缠绕，即可完成多圈缠绕。

作为优选的技术方案，可将起点A与终点B的间距控制为40-50mm。

步骤(1)所述的胶粘法包括以下步骤：

a)将一根待检测纤维按设定角度相互平行排列、依次均匀地粘结在载体上，形成平面纤维束层，即制得平行试样；

b)重复步骤a)至少2次，即制得测试样。

步骤a)所述的平行试样由纤维层、载体层以及设置在纤维层与载体层之间的粘结层组合而成。

所述的载体层为导热硅片。

所述的粘结层为双面胶粘结层，该双面胶粘结层布设在载体层的四周。

所述的热线传感器夹设在两平行试样的纤维层之间。

所述的排列角度的取值范围为0-90°。

所述的导热系数仪的热线传感器轴向与平行试样的长度方向或宽度方向平行。

其中，热线传感器的作用为：(1)作为加热元件：在测试过程中，由导热系数仪发出的电流经过热线传感器后，在热线传感器附近的平行试样会产生一定功率的热量，使平行试样中形成瞬态的热量传导及温度分布场；(2)作为测温元件：将热线传感器附近平行试样的温度，实时测试数据反馈给导热系数仪。

特别的，也可用一个加热元件与一个测温元件组合代替热线传感器，例如用线状热源与热电偶组合代替热线传感器，其中，线状热源包括金属丝或石墨丝中的一种。

在实际应用时，可制得一系列排列角度不同的测试样，在测定导热系数时，使热线传感器的轴向始终与平行试样的的长度方向或宽度方向平行，即可得到一系列不同排列角度的夹层结构。排列角度的设定范围为0-90°，可选为包含0°和90°且为等差数列的一组数值，这样不仅有利于提高待检测纤维排列角度的精度，覆盖热线传感器轴向与待检测纤维轴向的排列情况，同时也有利于作图清晰，易于观察与比较。

作为优选的技术方案，排列角度可设定为几组互余的角度，因为互为余角的两个角度，仅需制备其中的一个角度，之后可通过中心旋转90°实现另一个角度的测试，这样有利于减少试样数量，提高测试效率。

作为优选的技术方案，在进行作图分析时，围绕圆点由内向外作2-4个同心圆，分别表示2-4个导热系数等级。在一般的纤维材料中，导热系数低于0.1W·m^-1·K^-1的纤维为低导热材料，导热系数高于0.4W·m^-1·K^-1的纤维为高导热材料，因此，可将圆点处的等级设为0，而最外层同心圆的等级设为0.4或以上。

本发明测试原理简单，制样过程方便，且不破坏样品的内部结构，测试稳定，可直观反映该纤维导热系数在纤维不同方向上的整体分布，可以解决现有技术不能明确纤维各向结构与导热系数的对应关系的问题，并且实现热线法测试非均质或各向异性材料的导热系数，能综合评价纤维导热性的优劣。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)测试样制备方法简单实用，将几何形状为线形的待检测纤维制备成几何形状为面的纤维集合体，能够满足热线法测试装置对样品尺寸的要求；

2)通过改变平行试样与热线传感器的接触位置，形成多种不同排列角度的测试样，能够测得待检测纤维在各个方向上的导热系数值，解决了热线法技术在测试非均质或各向异性材料方面的局限性；

3)采用热线传感器监测其两侧平行试样表面的温度梯度，得到试样的导热系数数据准确稳定，且操作便捷；

4)作图对待检测纤维导热性各向异性进行表征，方法简便，能直观反映导热系数值在待检测纤维不同方向上的整体分布，明确待检测纤维各向结构与导热系数的对应关系，可综合评价待检测纤维导热性的优劣，为传热领域工程应用中提供参考。

附图说明

图1为实施例1中热线传感器置于排列角度为0°的平行试样上的结构示意图；

图2为实施例1中热线传感器置于排列角度为45°的平行试样上的结构示意图；

图3为实施例1中热线传感器置于排列角度为90°的平行试样上的结构示意图；

图4为实施例1中待检测纤维的导热系数与排列角度的关系图；

图中标记说明：

1—平行试样、2—热线传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

本实施例中，待测试纤维为碳纤维(T700SC-12000-50C)，导热系数仪为西安夏溪电子科技有限公司研制的固体热线法导热系数仪。

本实施例测定纤维导热系数的方法，包括如下步骤：

(1)测试样的制备：将一根碳纤维束均匀平行缠绕成7个排列角度的测试样，每个测试样由4个平行试样1组成，平行试样1的尺寸为40mm×40mm×0.93mm。

为减少平行试样1的制备时间，设定7个排列角度，分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，其中0°与90°、15°与75°、30°与60°互余，即通过一个排列角度的平行试样1中心旋转90°即可转化为与其互余的另一个排列角度的平行试样1，因此，本实施例只需制备0°、15°、30°、45°等4个排列角度的平行试样1。

(2)碳纤维导热系数的测定，按如下步骤进行：

①将制得的测试样置于恒温恒湿室中平衡24h；

②分别将7个排列角度的平行试样1在导热系数仪上测定，热线传感器2放置在两个平行试样1的中间，形成夹层结构；

③打开数据采集软件，设置测试参数，进行检测。

(3)数据处理：作图对不同排列角度的长方体纤维集合体1的导热系数进行评价性分析，具体是划分7个排列角度轴，即对整个圆周(360°)作7等分，得到7个坐标轴，每个坐标轴代表一个排列角度；确定3个等级的分值，中心分值为0，最外层分值为0.6；将不同排列角度下的导热系数值记录到相应坐标轴上，围成不规则图形。

图1-3分别为热线传感器2在排列角度为0°、45°及90°的平行试样1上的结构示意图。

如图4所示，当排列角度从0°增加到90°时，碳纤维导热系数数值的变化趋势呈螺旋上升，这与碳纤维分子排列取向度高，各向异性显著的基础理论一致。

实施例2：

本实施例测定纤维导热系数的方法，具体包括以下步骤：

(1)试样的制备：通过缠绕法将待检测纤维均匀平行缠绕成5种不同排列角度的测试样，每种排列角度的测试样由3个平行试样1构成；

(2)测试样导热系数的测定：

(2-1)将步骤(1)制得的测试样置于恒温恒湿环境中稳定10h；

(2-2)将步骤(2-1)稳定后的测试样置于导热系数仪上，并将热线传感器2置于两个平行试样1的中间，形成夹层结构，进行导热系数的测定；

(3)数据处理：

(3-1)选取一点作为圆点，以该圆点为起点向外作出5条沿圆周等分的射线，每条射线代表一个坐标轴，每个坐标轴对应一种排列角度；

(3-2)围绕圆点，由内向外作4个同心圆，每个同心圆对应一个导热性能等级，并且同心圆对应的导热性能等级由内向外依次增大；

本实施例设定的5个排列角度，分别为0°、30°、45°、60°、90°。

步骤(1)缠绕法包括以下步骤：

A)将一根待检测纤维按设定角度平行且均匀地缠绕在缠绕骨架上，控制缠绕圈数为5圈，经压板压合定型，移去压板，抽出缠绕骨架，即制得平行试样1；

B)重复步骤A)3次，即制得测试样。

其中，缠绕骨架为的长度为40mm，宽度为30mm，厚度为0.3mm。需要说明的是，缠绕骨架为软硬适中的任意材质的薄片，尺寸大小由具体的测试样品尺寸而定。平行缠绕为平行于缠绕骨架的边进行缠绕，绕制方式一致。

压板为有机玻璃压板，有机玻璃压板的长度为50mm，宽度为40mm，厚度为10mm。

在实际缠绕时，可将待检测纤维在缠绕骨架上由起点A缠绕至终点B，完成第一圈缠绕，再由终点B返回缠绕至起点A，完成第二圈缠绕，依次往返缠绕，即可完成5圈缠绕。

本实施例中，起点A与终点B的间距为50mm。导热系数仪的热线传感器2轴向与平行试样1的长度方向平行。

实施例3：

本实施例测定纤维导热系数的方法，具体包括以下步骤：

(1)试样的制备：通过缠绕法将待检测纤维均匀平行缠绕成6种不同排列角度的测试样，每种排列角度的测试样由2个平行试样1构成；

(2)测试样导热系数的测定：

(2-1)将步骤(1)制得的测试样置于恒温恒湿环境中稳定30h；

(3)数据处理：

(3-1)选取一点作为圆点，以该圆点为起点向外作出6条沿圆周等分的射线，每条射线代表一个坐标轴，每个坐标轴对应一种排列角度；

(3-2)围绕圆点，由内向外作10个同心圆，每个同心圆对应一个导热性能等级，并且同心圆对应的导热性能等级由内向外依次增大；

本实施例设定的6个排列角度，分别为0°、15°、30°、60°、75°、90°。

步骤(1)缠绕法包括以下步骤：

A)将一根待检测纤维按设定角度平行且均匀地缠绕在缠绕骨架上，控制缠绕圈数为3圈，经压板压合定型，移去压板，抽出缠绕骨架，即制得平行试样1；

B)重复步骤A)2次，即制得测试样。

其中，缠绕骨架为的长度为45mm，宽度为32mm，厚度为0.5mm。需要说明的是，缠绕骨架为软硬适中的任意材质的薄片，尺寸大小由具体的测试样品尺寸而定。平行缠绕为平行于缠绕骨架的边进行缠绕，绕制方式一致。

本实施例中，起点A与终点B的间距为40mm。导热系数仪的热线传感器2轴向与平行试样1的长度方向平行。

其余同实施例2。

实施例4：

本实施例测定纤维导热系数的方法，具体包括以下步骤：

(1)试样的制备：通过缠绕法将待检测纤维均匀平行缠绕成3种不同排列角度的测试样，每种排列角度的测试样由4个平行试样1构成；

(2)测试样导热系数的测定：

(2-1)将步骤(1)制得的测试样置于恒温恒湿环境中稳定24h；

(3)数据处理：

(3-1)选取一点作为圆点，以该圆点为起点向外作出3条沿圆周等分的射线，每条射线代表一个坐标轴，每个坐标轴对应一种排列角度；

(3-2)围绕圆点，由内向外作3个同心圆，每个同心圆对应一个导热性能等级，并且同心圆对应的导热性能等级由内向外依次增大；

本实施例设定的3个排列角度，分别为0°、45°、90°。

步骤(1)缠绕法包括以下步骤：

A)将一根待检测纤维按设定角度平行且均匀地缠绕在缠绕骨架上，控制缠绕圈数为6圈，经压板压合定型，移去压板，抽出缠绕骨架，即制得平行试样1；

B)重复步骤A)4次，即制得测试样。

本实施例中，起点A与终点B的间距为45mm。

其余同实施例2。

实施例5：

本实施例测定纤维导热系数的方法，具体包括以下步骤：

(1)试样的制备：通过胶粘法将待检测纤维均匀平行胶粘成9种不同排列角度的测试样，每种排列角度的测试样由3个平行试样1构成；

(2)测试样导热系数的测定：

(2-1)将步骤(1)制得的测试样置于恒温恒湿环境中稳定24h；

(3)数据处理：

(3-1)选取一点作为圆点，以该圆点为起点向外作出9条沿圆周等分的射线，每条射线代表一个坐标轴，每个坐标轴对应一种排列角度；

(3-2)围绕圆点，由内向外作6个同心圆，每个同心圆对应一个导热性能等级，并且同心圆对应的导热性能等级由内向外依次增大；

本实施例设定的9个排列角度，分别为0°、10°、15°、30°、45°、60°、75°、80°、90°。

步骤(1)所述的胶粘法包括以下步骤：

b)重复步骤a)3次，即制得测试样。

步骤a)中，平行试样由纤维层、载体层以及设置在纤维层与载体层之间的粘结层组合而成。载体层为导热硅片。粘结层为双面胶粘结层，该双面胶粘结层布设在载体层的四周。热线传感器2夹设在两平行试样1的纤维层之间。

导热系数仪的热线传感器2轴向与平行试样1的宽度方向平行。

实施例6：

本实施例测定纤维导热系数的方法，具体包括以下步骤：

(1)试样的制备：通过胶粘法将待检测纤维均匀平行胶粘成12种不同排列角度的测试样，每种排列角度的测试样由3个平行试样1构成；

(2)测试样导热系数的测定：

(2-1)将步骤(1)制得的测试样置于恒温恒湿环境中稳定24h；

(3)数据处理：

(3-1)选取一点作为圆点，以该圆点为起点向外作出12条沿圆周等分的射线，每条射线代表一个坐标轴，每个坐标轴对应一种排列角度；

(3-2)围绕圆点，由内向外作8个同心圆，每个同心圆对应一个导热性能等级，并且同心圆对应的导热性能等级由内向外依次增大；

本实施例设定的12个排列角度，分别为0°、10°、20°、15°、30°、40°、50°、60°、70°、75°、80°、90°。

步骤(1)所述的胶粘法包括以下步骤：

b)重复步骤a)3次，即制得测试样。

其余同实施例5。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种测定纤维导热系数的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

(2)测试样导热系数的测定：

(2-1)将步骤(1)制得的测试样置于恒温恒湿环境中稳定10-30h；

(3)数据处理：

其中，N＝N’，3≤N≤12，且N为整数；2≤n≤10，且n为整数。

2.根据权利要求1所述的一种测定纤维导热系数的方法，其特征在于，步骤(1)所述的缠绕法包括以下步骤：

B)重复步骤A)至少2次，即制得测试样。

3.根据权利要求2所述的一种测定纤维导热系数的方法，其特征在于，所述的缠绕骨架为长方体骨架，该长方体骨架的长度≥40mm，宽度≥30mm，厚度≥0.3mm。

4.根据权利要求1所述的一种测定纤维导热系数的方法，其特征在于，步骤(1)所述的胶粘法包括以下步骤：

b)重复步骤a)至少2次，即制得测试样。

5.根据权利要求4所述的一种测定纤维导热系数的方法，其特征在于，步骤a)所述的平行试样由纤维层、载体层以及设置在纤维层与载体层之间的粘结层组合而成。

6.根据权利要求5所述的一种测定纤维导热系数的方法，其特征在于，所述的载体层为导热硅片。

7.根据权利要求5所述的一种测定纤维导热系数的方法，其特征在于，所述的粘结层为双面胶粘结层，该双面胶粘结层布设在载体层的四周。

8.根据权利要求5所述的一种测定纤维导热系数的方法，其特征在于，所述的热线传感器夹设在两平行试样的纤维层之间。

9.根据权利要求1所述的一种测定纤维导热系数的方法，其特征在于，所述的排列角度的取值范围为0-90°。

10.根据权利要求1至9任一项所述的一种测定纤维导热系数的方法，其特征在于，所述的导热系数仪的热线传感器轴向与平行试样的长度方向或宽度方向平行。