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瞬态热线法测量复合材料导热系数的方法

更新时间:2009-03-28

0 引言

复合材料具有比强度、比模量高,良好的耐烧蚀性、热物理性能等,已成功应用于导弹的再入头锥、固体火箭发动机喷管喉衬、航天飞机结构件、飞机刹车盘等。作为一种高温结构材料或摩擦制动材料,对复合材料的导热性能研究很多[1~3]。材料的导热系数测量已形成很多标准,如GB10294-88、GB10295-88、GB10294-88、GB/T3139-2005、ASTM E1461等。

瞬态热线法是近来发展的一种用于测量流体导热系数的方法,具有测量时间短、测量准确、方式灵活多样、精度高等的特点,可测定固体、粉末和流体的导热系数,适用于较宽的温度范围,能同时获得多个参数,影响准确测量的关键因素是与理论模型的接近程度,特别是导热微分方程求解过程中的假设条件和截断误差的实现[4~6]。本文采用瞬态热线法测试非平面式的薄片状纤维增强树脂基单向层复合材料的导热系数,探索传感器与试样的放置方式、试样外表面粗糙状态对复合材料纵向和横向导热系数的影响。

纳入标准:①患者被本院医师诊断为输卵管妊娠;②患者的随访依从性较高;③患者自愿参与本次试验,且签署知情同意书。排除标准:①患者合并其他较为严重的疾病;②患者非自愿参与本次试验,或者未签署知情同意书。两组患者一般资料比较,差异无统计学意义(P>0.05),具有可比性。本研究获得医院伦理委员会批准。

1 导热系数测试方法比较

针对不同物质状态,人们提出并发展多种实验方法测量物质的导热系数。从导热宏观机理上可分为稳态法和非稳态法两大类,稳态法主要包括:平板法、护板法、热流计法等。非稳态法有热线法、探针法、热盘法、激光法等。表1所示为非稳态法和稳态法典型的导热系数测量方法,并对这些测试方法进行比较。

上海市《关于进一步加强本市孤儿保障工作的意见》对扶持孤儿成年后就业做出了如下规定,“认真贯彻《中华人民共和国就业促进法》,落实积极的就业政策,鼓励和帮扶有劳动能力的孤儿成年后实现就业,按照规定落实职业培训补贴、职业技能鉴定补贴、免费职业介绍、职业介绍补贴和社会保险补贴等政策;孤儿成年后就业困难的,优先安排其到政府开发的公益性岗位就业;孤儿成年后自主创业符合条件的,给予场地安排、小额贷款担保及贴息、创业服务和培训等方面的优惠政策扶持。”

 

表1 材料导热系数测试方法的比较

  

测试方法热线法激光闪射法平面热源法保护平板法非稳态法非稳态法非稳态法稳态法测量物性 直接获得导热系数和热扩散率,通过输入密度值计算获得比热 直接获得热扩散率,通过输入比热值和密度值计算得到导热系数 直接获得导热系数和热扩散率,通过输入密度值计算获得比热 只获得导热系数测量精度 最好可达到±0.5% 热扩散率±3.0% 最好可达到±1% 受热损失影响严重物理模型 与物理模型的吻合程度较好 与物理模型的吻合程度欠佳 与物理模型的吻合程度欠佳 与物理模型的吻合程度较好适用范围 固体、液体、气体 高温下的固体 固体,范围较广 低导热系数材料

内外表面接触方式[如图2(b)所示]测得非平面式的薄片状纤维增强树脂基单向层复合材料的纵向导热系数为2.101±0.10(4.8%)W/(m·K),这是因为热量在复合材料内部平行于纤维的方向传递,属于面内热传递,基本是连续相的热传递,取决于树脂基体和碳纤维的热导率的对比,哪种热导率大哪个部分起主导作用。内外表面接触方式[如图2(a)所示]测得非平面式的薄片状纤维增强树脂基单向层复合材料的横向导热系数0.897±0.025(2.8%)W/(m·K),热量在复合材料内部逐层传递,不能形成有效的连续相热传递通道,而是纤维与树脂基体共同相互作用,因此平行于纤维方向的热导率有别于垂直纤维方向的热导率。

2 瞬态热线法测量原理

采用内外表面接触方式,如图2(b)、图2(a)所示,分别测量非平面式的薄片状纤维增强树脂基单向层复合材料的纵向导热系数、横向导热系数,同一试样经过三次测量得到的复合材料导热系数标准偏差和变异系数较小。

 

(1)

式中:t为温度,τ为时间,α为热扩散系数,λ为导热系数,ρCp分别为被测物质的密度和定压比热容,且λ=αρCp。当导热系数为常数,且无内热源时,可简化为公式(2)。

 

(2)

式中

(3)流体无限大,并且热物理性质在测量工程中保持为恒量;

(1)线热源的直径无限小,长度无限长;

(2)线热源的热容为零,导热系数无穷大,即热线源内部温度均衡;

在一定的边界条件和初始条件下进行求解,并对理想模型进行以下假设:

射波刀治疗后,口服S-1治疗2~3个疗程(剂量80 mg/m2,2次/日),每个疗程28 d,间隔14 d。后期出现远处转移后可接受介入或静脉化疗等其他治疗手段。

(4)容器边界无限大;

(5)线热源的热耗散只有导热,对流换热和辐射换热为零;

(6)线热源的加热功率恒定且均匀。

企业物资采购人员在申请付款结算之前,必须对合同约定的付款条件加强审核,同时要对采购业务的各种数据凭证的完整性、合法性以及真实性进行检查,然后再按照企业所规定的流程提交付款申请,接着由企业财务部门进行复查,最终交由相关的管理人员进行审批,办理结算,从而对采购预算进行合理控制,以免与物资采购计划出现偏离。

r0足够小、t足够长时,舍去二阶以上的各项误差,可以得到基本工作方程:

表3中,分别按照图2(a)、图2(b)所示,外表面经打磨后的复合材料内外表面相接触横向导热系数平均值为0.897±0.003(0.3%)W/(m·K),内外表面相接触纵向导热系数平均值为2.125±0.01(0.6%)W/(m·K),三次测量结果的标准偏差、变异系数较小。对比表2可知,外表面经打磨后试样与未打磨试样的复合材料导热系数基本相同,说明未打磨的两个试样与传感器接触良好,没有因试样外表面的粗糙而形成空气隔热层阻碍热量的传递,所以对非平面式的薄片状纤维增强树脂基复合材料导热系数的测量结果没有影响。

 

(3)

式中:λα分别为被测物质的导热系数和热扩散系数;Tid为热线的理想温升;q为单位长度线热源的加热功率;t为加热时间;r0为热线的半径;C=er=1.718…为欧拉常数。

在TC3000导热系数仪上设定试验参数,仪器自动采集实验数据,绘制试样温度随时间的变化,如图3(a)是试样温差随时间变化的整体曲线,图3(b)为整条曲线中温差达到平衡时数据分析图。加热元件为线热源,加热的热量本身不是很高,通常情况下,加热后温度只升高2~4K,并且根据实际样品的需要调节加热时间和加热电压来选定合适的测试条件,基本可以避免空气对流的影响,从而准确测试材料的导热系数。

此后她游荡人世,情路坎坷,只想寻找回来心里对美和真实曾持有的信仰,却再未得到机会爱上任何一个世间的男女。

3 测量方式的确定

3.1 试样与传感器的放置方式

复合材料的热物理性能是纤维和树脂基体这两部分的综合体现[10-11]。针对非平面式、薄片状纤维增强树脂基复合材料试样,采用西安夏溪电子科技有限公司的导热系数仪TC3000测试复合材料的纵向和横向导热系数。首先研究导热系数仪的传感器放置对复合材料试样导热系数的影响,即热丝与纤维方向平行或垂直两种方式,热丝平行于纤维放置测得复合材料的横向导热系数,参见图1(a);垂直于纤维放置测得复合材料的纵向导热系数,如图1(b)所示。

  

图1 传感器放置的位置(俯视图)

其次研究试样与传感器的放置方式、内外表面的不同放置方式对复合材料导热系数的测试影响。复合材料试样与传感器放置有4种方式,图中双向箭头表示纤维方向,图2(a)表示两个试样内外表面相接触,热丝与纤维平行放置,测得内外表面接触复合材料的横向导热系数;图2(b)表示两个试样内外表面接触,热丝垂直于纤维方向,测得内外表面接触复合材料的纵向导热系数;图2(c)表示两个试样呈“S”形,内表面相互接触,热丝与纤维方向垂直,测得内表面接触复合材料的纵向导热系数。图2(d)表示两个试样厚度方向接触,但是试样是带弧度的薄片状,使得传感器上的热丝不能充分与试样接触,无法测出导热系数。

(4)防雷接地保护设计是住宅小区供配电设计中至关重要的环节,主要包括对建筑单体楼和变电所的防雷和接地保护。防雷部分选择HY5WS型避雷器,接地方式则采用TN-S环路式。

  

图2 试样与传感器的放置方式

则公式(3)简化成ΔTid(r0,t)=AInt+B。由此式可知,在r=r0处的热线温升与加热时间的对数成线性关系,直线的斜率即可获得被测物质的导热系数。由于实际测量过程不可能完全达到理想模型,只能尽可能地接近,所以为了获得准确的导热系数,就需要对各种非理想因素进行分析,以采取相应的补偿措施,使具体实验条件尽可能达到理想模型的假设条件。

  

图3 试样温差随时间变化的整体曲线(a)和数据分析图(b)

将图3(b)的加热时间取对数为横坐标,由ΔT~Int线性关系的斜率A,及其中I是热线的加热电流,R为热线的电阻,L为热线的长度。经公式计算得到被测物质的导热系数。按照上述试样与传感器的放置方式,测得外表面未经打磨的复合材料的导热系数,其测试结果见表2。

 

表2 复合材料导热系数测试结果

  

与传感器接触方式所测导热系数方向次数实验温度(K)导热系数[W/(m·K)]内表面接触、热丝垂直于纤维如图2(c)所示纵向1306.51.5462306.51.5613306.51.542平均值306.51.550标准偏差—0.01变异系数—0.6%内外表面接触、热丝垂直于纤维如图2(b)所示纵向1306.92.1772306.72.1403306.81.986平均值306.82.101标准偏差—0.100变异系数—4.8%内外表面接触、热丝平行于纤维如图2(a)所示横向1306.80.8742306.70.9243307.00.894平均值306.80.897标准偏差—0.025变异系数—2.8%

从表2看出,试样与传感器内外表面接触[如图2(b)所示]和内表面接触[如图2(c)所示]测得纵向导热系数都代表复合材料沿纤维方向的导热系数,同一试样其纵向导热系数不会相差太大,可能是试样与传感器内表面接触面积较小,两个试样间可能会存在空隙,使试样与传感器接触不紧密导致的。因此,确定内外表面接触方式来测量非平面式的薄片状纤维增强树脂基单向层复合材料的纵向导热系数。

对于非平面式的薄片状纤维增强树脂基复合材料试样,激光闪射法、平面热源法和保护平板法均不能满足试样的测试要求,但是瞬态热线法可以不受复合材料试样的形式限制,故此选择瞬态热线法测量其导热系数。

瞬态热线法是利用测量热丝的电阻来测量物质导热系数的,其理想模型为:在无限大的均向介质中置入直径无限小、长度无限长、内部温度均衡的线热源,初始状态下二者处于热平衡状态,突然给线源施加恒定的热流加热一段时间,线热源及其周围介质就会产生温升,根据线热源的温升就可以得到物质的导热系数[7~9]。其基本控制方程为傅立叶方程:

3.2 试样外表面粗糙度的影响

非平面式的薄片状纤维增强树脂基单向层复合材料试样内表面光滑,外表面相对比较粗糙,当两个试样内外表面相接触时,可能会影响复合材料的导热系数。故将试样外表面打磨后,重新测量内外表面接触纵向、横向导热系数,结果见表3。

 

表3 外表面打磨后复合材料导热系数测试结果

  

所测导热系数方向次数实验温度(K)导热系数[W/(m·K)]横向如图2(a)所示1304.70.8942304.70.8993304.80.899平均值304.70.897标准偏差—0.003变异系数—0.3%纵向如图2(b)所示1304.12.1272304.12.1363304.12.112平均值304.12.125标准偏差—0.01变异系数—0.6%

1.3.3 潜在生态危害指数法。瑞典科学家Hakanson[10]提出的生态危害指数法是目前最为流行的一种对土壤或沉积物中土壤重金属污染进行评价的方法。该法将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起,不仅反映了某一特定环境中各种污染物对环境的影响,及多种污染物的综合效应,而且用定量的方法划分出了潜在生态风险的程度。其计算公式为:

2.2.1.1 AML患者首次CR后3个月 此阶段33份标本,MRD阳性组7例,6例均在3个月内复发,1例未复发;MRD阴性组26例,复发5例,其中仅1例在MRD阴性后6个月复发;4例分别在MRD阴性后7~13个月复发。MRD阳性组复发率高于MRD阴性组(P<0.05)。MRD阳性组及MRD阴性组的中位RFS分别为1.0个月(0~12个月)、13.5个月(3~37个月),差异有统计学意义(P<0.05),见图1。

3.3 导热系数测量结果的重复性

为了考察非平面式的薄片状纤维增强树脂基复合材料导热系数测试的重复性,在同一复合材料试验件上截取相同试样,测得复合材料的纵向和横向导热系数,结果如表4所示。

 

表4 复合材料导热系数测试结果

  

与传感器接触方式所测导热系数方向次数实验温度(K)导热系数[W/(m·K)]热丝平行于纤维如图2(a)所示横向1309.30.8162309.40.8173309.30.815平均值309.30.816标准偏差—0.001变异系数—0.1%热丝垂直于纤维如图2(b)所示纵向1308.72.4132308.62.4463308.72.379平均值308.72.413标准偏差—0.034变异系数—1.4%

由表4可知,采用图2(a)所示试样内外表面相接触,热丝与纤维平行放置,测得复合材料横向导热系数为0.816±0.001(0.1%)W/(m·K),如图2(b)所示试样内外表面接触,热丝垂直于纤维方向,测得复合材料纵向导热系数为2.413±0.034(1.4%)W/(m·K),与表2中测得复合材料横向导热系数0.897±0.025(2.8%)W/(m·K),复合材料纵向导热系数2.101±0.10(4.8%)W/(m·K),结果偏差较小,瞬态热线法测量非平面式的薄片状单向层复合材料导热系数测试结果的重复性好。

4 结论

(1)采用瞬态热线法测量非平面式的薄片状单向层复合材料的导热系数,确定传感器与两个试样内外表面相接触方式测得其纵向和横向的导热系数。

(2)非平面式的薄片状单向层复合材料外表面粗糙程度不影响传感器与两个试样的接触,外表面经打磨后与未打磨试样的导热系数测试结果基本相同。

(3)在相同试验件上制取非平面式的薄片状单向层复合材料试样,测得复合材料的纵向或横向导热系数结果偏差小,导热系数测试的重复性好。

致谢

本文工作得到西安夏溪电子科技有限公司的热心支持和帮助,在此表示诚挚地感谢。

气质联用法测定莪术油多效应成分及其在大鼠体内的整合药动学研究 …………………………………… 郭明鑫等(20):2752

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杨红伟,胡玉霞,陈明
《高科技纤维与应用》2018年第02期文献
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