绝热材料低温热导率测试装置

　　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。