●—? 前言 ?—●

環(huán)氧樹(shù)脂/玻璃纖維復(fù)合材料（EP/GF）是以環(huán)氧樹(shù)脂為基體，玻璃纖維為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料，由于其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)且介電良好等優(yōu)勢(shì)，正被廣泛應(yīng)用于航天航空、建筑、軍事裝備等領(lǐng)域。

為探究EP/GF用作低溫儲(chǔ)罐支撐構(gòu)件時(shí)的適用性，筆者采用TPS法和瞬態(tài)熱線法測(cè)試材料導(dǎo)熱性能，擬合EP/GF在低溫下的熱導(dǎo)率。

并針對(duì)磨損前和38μm砂紙打磨條件下的EP/GF，研究其導(dǎo)熱性能變化，從各向異性特性以及微觀結(jié)構(gòu)揭示引起導(dǎo)熱性能變化的機(jī)理，為儲(chǔ)罐漏熱分析提供數(shù)據(jù)支撐。

●—? 熱導(dǎo)率測(cè)定試驗(yàn) ?—●

EP/GF管材具有良好的綜合力學(xué)性能，用作低溫儲(chǔ)罐支撐結(jié)構(gòu)，減少了接觸面積，降低了環(huán)境向內(nèi)容器的漏熱，故現(xiàn)有移動(dòng)式容器運(yùn)用管狀EP/GF居多。

為對(duì)比分析EP/GF導(dǎo)熱特性與纖維方向之間的關(guān)系，分別沿著纖維方向（層向）以及垂直于纖維方向（垂向）進(jìn)行取樣。

在EP/GF管中沿著徑向及軸向截面進(jìn)行取樣，樣品直徑為40mm，壁厚δ=10mm，同一軸向自上而下依次標(biāo)注層向試樣為A，B，C，垂向試樣為D，E，F(xiàn)。

設(shè)備采用的薄膜式探頭由鎳金屬經(jīng)刻蝕處理后的雙螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成，并將聚酰亞胺薄膜覆蓋兩側(cè)，起到電絕緣及保護(hù)作用。

薄膜探頭除了具有加熱功能外，同時(shí)作為感溫元件，用以記錄探頭的溫度變化，測(cè)試時(shí)，探頭被緊密夾持在兩塊待測(cè)樣品之間，形成瞬態(tài)“三明治”熱導(dǎo)率測(cè)定模型。

在傳感器中通入恒定弱電流后形成階梯式焦耳熱引起試樣溫度變化，同時(shí)使傳感器自身阻值也發(fā)生改變，采用惠斯登電橋?qū)㈦娮栊盘?hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，精確測(cè)量探頭阻值變化。

由于待測(cè)材料熱輸運(yùn)性質(zhì)不同，導(dǎo)致探頭表面溫度響應(yīng)也不同，通過(guò)探頭阻值變化記錄溫度響應(yīng)，即可較為精確獲得被測(cè)材料熱物性參數(shù)。

EP/GF具有吸濕特性，測(cè)試前將試樣置于袋中防止空氣中水分子向試樣進(jìn)行擴(kuò)散。

采用各向同性模型測(cè)定試樣熱導(dǎo)率，評(píng)價(jià)各向異性模型測(cè)定結(jié)果的適用性；采用各向異性模型測(cè)定分析纖維方向與熱導(dǎo)率之間的關(guān)系。

對(duì)EP/GF上中下各6個(gè)層向以及垂向試樣進(jìn)行分組，兩兩結(jié)合形成“三明治”結(jié)構(gòu)，即試樣A至試樣F的編號(hào)1，2為組1，編號(hào)3，4為組2，編號(hào)5，6為組3。

采用探頭C5501進(jìn)行測(cè)定，每次測(cè)量的加熱功率為100mW，持續(xù)時(shí)間為80s，對(duì)每組試樣進(jìn)行3次再現(xiàn)性試驗(yàn)，時(shí)間間隔為1h，取其平均值。

采用砂紙打磨，通過(guò)控制打磨時(shí)間實(shí)現(xiàn)試樣的不同表面粗糙度，模擬EP/GF在真空夾層中的磨損情況。

選取試樣A1~A4作為磨損樣品進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，其中未處理組為車床加工試樣，磨損組為經(jīng)過(guò)38μm砂紙打磨0.5h，后置于105℃干燥箱中恒溫處理1h的試樣。

●—? 各向同性模型下熱導(dǎo)率測(cè)定 ?—●

為避免熱導(dǎo)率測(cè)定結(jié)果受比熱容測(cè)定誤差影響，采用TPS2200型熱常數(shù)分析儀比熱模塊對(duì)EP/GF進(jìn)行測(cè)定，將測(cè)定結(jié)果作為參數(shù)用于熱導(dǎo)率的測(cè)量，防止熱導(dǎo)率測(cè)定誤差進(jìn)一步增大。

測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)測(cè)定試樣比熱容易受外界溫度變化影響，故通過(guò)延長(zhǎng)靜置時(shí)間，以確保溫度漂移圖離散。

平均比熱容為1.808MJ/（m3·K），3組試樣比熱容**相對(duì)誤差為2.52%，而同一組試樣不同時(shí)刻測(cè)得結(jié)果的**相對(duì)誤差為2.03%。

與熱導(dǎo)率測(cè)定結(jié)果相比，比熱容測(cè)定結(jié)果相對(duì)誤差較大，且展現(xiàn)各向同性，這表明EP/GF比熱容為材料本身物質(zhì)屬性，只與纖維種類以及組分比有關(guān)，與纖維方向無(wú)關(guān)。

但由于測(cè)試時(shí)間跨度大，且測(cè)試均在室溫下進(jìn)行，未能保證恒溫恒濕，但其**相對(duì)誤差小于5%，故可以忽略微小的溫度和濕度變化對(duì)其比熱容的影響。

測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著測(cè)試次數(shù)的增多，其測(cè)定結(jié)果相對(duì)誤差越來(lái)越小。

各向同性模型下測(cè)得EP/GF層向試樣熱導(dǎo)率大于垂向試樣，且熱導(dǎo)率不會(huì)隨徑向不同方向以及軸向不同位置取樣發(fā)生變化，只隨試樣纖維方向發(fā)生變化。

拓展到單個(gè)EP/GF試樣，其熱導(dǎo)率可分解為徑向熱導(dǎo)率（λxy）以及軸向熱導(dǎo)率（λz），符合TPS法各向異性模型測(cè)定要求。

EP/GF熱導(dǎo)率主要由環(huán)氧樹(shù)脂、玻璃纖維比例和種類決定的，然而隨不同位置取樣熱導(dǎo)率不發(fā)生變化，故可知EP/GF每層結(jié)構(gòu)體積分?jǐn)?shù)相近。

兩種測(cè)試方法均表明層向試樣熱導(dǎo)率大于垂向試樣的熱導(dǎo)率；瞬態(tài)熱線法測(cè)試結(jié)果的**相對(duì)誤差大于TPS法。

采用瞬態(tài)熱線法測(cè)定結(jié)果低于TPS法，對(duì)于層向試樣，瞬態(tài)熱線法的熱導(dǎo)率測(cè)定結(jié)果約為T(mén)PS法的84.7%，對(duì)于垂向試樣，瞬態(tài)熱線法為T(mén)PS法的73.2%。

瞬態(tài)熱線法相對(duì)于TPS法的層向和垂向試樣展現(xiàn)出較強(qiáng)的差異性。

由于各向同性模型下探頭的熱量向四周發(fā)散，玻璃纖維在導(dǎo)熱過(guò)程中所起的作用大小不同，造成EP/GF沿纖維不同方向取樣，熱導(dǎo)率存在差異。

對(duì)于層向試樣，熱量沿著纖維方向（z向）傳遞，而在xy平面上，由于玻璃纖維熱導(dǎo)率大于環(huán)氧樹(shù)脂熱導(dǎo)率造成熱短路，故流經(jīng)xy平面熱流量較少。

對(duì)于垂向試樣，熱量沿著纖維方向（xy平面）傳遞，對(duì)于z向，環(huán)氧樹(shù)脂位于兩玻璃纖維布之間，阻礙了熱量傳遞。

同時(shí)由于xy平面玻璃纖維布溫差逐漸衰減，從而造成xy平面散失熱量進(jìn)一步減少。

對(duì)于層向試樣，采用TPS法測(cè)試時(shí)較多的纖維參與熱量傳遞，同時(shí)減少了接觸熱阻對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，從而造成TPS法測(cè)試結(jié)果大于瞬態(tài)熱線法。

各向同性模型下測(cè)試結(jié)果表明：EP/GF屬于各向異性材料，沿著玻璃纖維布方向的試樣熱導(dǎo)率大于垂直于玻璃纖維布方向試樣的熱導(dǎo)率。

沿著玻璃纖維布方向，玻璃纖維布構(gòu)成了連續(xù)的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，而垂直于玻璃纖維布方向，環(huán)氧樹(shù)脂間隔于兩玻璃纖維布之間，阻礙了玻璃纖維布的接觸，從而阻斷了導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成。

●—? 不同溫度下熱導(dǎo)率分析 ?—●

**關(guān)于EP/GF熱導(dǎo)率研究大多是基于穩(wěn)態(tài)法，穩(wěn)態(tài)法主要是向試樣中通入恒定的熱流，在樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，再結(jié)合傅里葉定律，即可獲得被測(cè)材料的熱導(dǎo)率。

若使EP/GF獲得**的力學(xué)性能，一般玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)維持在75%左右，故具有相同玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)的EP/GF應(yīng)具有相同的溫度-熱導(dǎo)率關(guān)系。

故通過(guò)擬合EP/GF溫度變化關(guān)聯(lián)式，計(jì)算本研究中EP/GF試樣在液氫溫區(qū)的熱導(dǎo)率，通過(guò)室溫下測(cè)得層向以及垂向試樣λz，可以確定設(shè)置的系數(shù)m=0.3077，n=0.1218。

同時(shí)由導(dǎo)熱通路理論可知，層向試樣熱導(dǎo)率受纖維增強(qiáng)材料影響較大，故板材可選用力學(xué)性能更優(yōu)的纖維增強(qiáng)材料增加其承載能力。

較管材，板材熱導(dǎo)率并不會(huì)有較大幅度地提升，若既承受剪切載荷又承受壓縮載荷，則需要綜合力學(xué)性能良好的EP/GF管材。

由測(cè)定結(jié)果可知，磨損前的整體熱導(dǎo)率（λ），λxy和λz分別為0.5088，0.5153，0.4993W/（m·K），相應(yīng)的磨損后為0.5137，0.4812，0.5313W/（m·K）。

與磨損前相比，磨損后λ及λz增大了0.97%，6.40%，λxy減小了6.62%。

由于EP/GF為非金屬，其導(dǎo)熱主要方式為晶格震動(dòng)，聲子在傳遞過(guò)程中由于非晶相的缺陷發(fā)生散射產(chǎn)生接觸熱阻。

界面接觸熱阻與界面接觸的微凸體個(gè)數(shù)有關(guān)，界面接觸微凸體個(gè)數(shù)越多，界面熱阻越小。

EP/GF經(jīng)過(guò)38μm砂紙打磨，表面粗糙度減小，在相同載荷下，接觸表面的表面粗糙度越小，接觸表面越平整，表面發(fā)生接觸的微凸體數(shù)目越多，接觸熱阻越小，故熱導(dǎo)率增大。

增大界面接觸微凸體個(gè)數(shù)的方式主要有兩種，一是增大載荷，使接觸界面產(chǎn)生變形，二是減小表面粗糙度。

故要求通過(guò)TPS法測(cè)試試樣熱導(dǎo)率時(shí)，要求試樣表面平整，同時(shí)施加壓力使探頭與試樣緊密結(jié)合，一方面減少接觸熱阻對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，另一方面避免粗糙表面在受到較大載荷時(shí)對(duì)探頭造成損傷。

EP/GF中除了環(huán)氧樹(shù)脂基體和玻璃纖維外，環(huán)氧樹(shù)脂與玻璃纖維的接觸界面同樣會(huì)影響熱導(dǎo)率。

磨損前環(huán)氧樹(shù)脂基體和玻璃纖維結(jié)合緊密，界面完整性強(qiáng)，磨損后，玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂基體之間結(jié)合界面開(kāi)始變得疏松，纖維裸露。

由此可知，由于接觸界面在摩擦過(guò)程中產(chǎn)生摩擦熱，摩擦熱的聚集造成界面溫度升高，從而導(dǎo)致EP/GF表面環(huán)氧樹(shù)脂部分軟化分解，使得纖維裸露。

經(jīng)過(guò)磨損后破壞了玻璃纖維與環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合界面的完整性，使玻璃纖維與環(huán)氧樹(shù)脂之間形成的導(dǎo)熱區(qū)域離散，這些阻礙了聲子傳遞，從而導(dǎo)致λxy減小。

此外，由于EP/GF經(jīng)過(guò)砂紙打磨，表面粗糙度減小，增大了兩接觸表面，從而導(dǎo)致玻璃纖維接觸增多，λz增大。

●—? 結(jié)論 ?—●

分析測(cè)試過(guò)程中EP/GF紗線的導(dǎo)熱形式；采用砂紙打磨模擬EP/GF作支撐結(jié)構(gòu)時(shí)的磨損，探究導(dǎo)熱性能變化規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

各向異性模型下，由于兩試樣接觸之間存在間隙，使得沿著xy平面熱導(dǎo)率大于z方向熱導(dǎo)率，造成垂向試樣λxy＞層向試樣λz＞層向試樣λxy＞垂向試樣λz，為保證試驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，主要關(guān)注z方向熱導(dǎo)率。

利用砂紙打磨后，EP/GF中玻璃纖維裸露，其表面粗糙度減小，玻璃纖維與環(huán)氧樹(shù)脂的結(jié)合程度變差，界面的整體性遭到破壞。

這些因素阻礙沿著xy平面的聲子傳遞，增大了z方向微凸體的接觸面積，使得EP/GF作支撐結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)率增大。

●—? 參考文獻(xiàn) ?—●

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