利用红外热成像技术测算碳纤维材料的热扩散系数

　　1　引言

　　红外热成像技术是二十世纪六十年代开始发展起来的一种针对二维表面温度场进行实时测定的技术,这种技术以伪彩色图像表示物体的温度场分布。该技术在石化、电力、电子、医学以及科研等许多领域都得到了广泛的应用[1],如M.Varenne等[2]利用红外热成像技术和体积平均法研究了一维各向异性介质的热物理性能;K.R.McDonald等[3]利用红外热成像技术研究了分界面和裂缝的导热性能。碳纤维材料是航空航天领域中常用的一种材料,由于具有柔软、结构疏松、容重小等特点,使得利用传统方法对这类材料进行导热参数测量时存在着许多困难。本文应用红外热成像技术对该材料的热扩散系数进行测量,为这类材料的导热参数的测量进行了新的探索。

　　2　红外热成像技术测试的理论基础

　　2·1　红外热成像技术的成像理论

　　红外热成像系统的结构流程如图1所示。光学系统将目标物体上各点发出的辐射能聚集起来汇集到探测器上,探测器将这些能量信号转换成电信号传送到视频处理器中,视频处理器再将这些电信号转变成数字信号并将其存贮在系统的内存中,当得到一幅完整的图像信息后,这幅图像就在显示器上显示出来。红外热成像技术实现的是一种能量图像-温度间的转换技术,即首先将物体发出的红外辐射能转换成可视的伪彩色图像,然后再利用图像颜色分布来表示物体的温度场分布。

　　红外热成像技术温度测量的依据是斯忒藩-玻耳兹曼定律(Stefan-Boltzmann law),该定律指出物体表面发出的红外辐射能为:

式中:ε为物体表面的发射率;σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数,其值为5.67×10-8W/(m2·K4);T为物体的绝对温度,K。由式(1)可知,对于目标物体上的任一温度T,都有一个能量信号W与之对应,因此通过探测器以及视频处理器连续的信号转换,就可以将物体发出的能量信号转换成数字信号,从而得到目标物体的伪彩色图像;反之,通过分析物体的热图像也可以确定物体的温度场分布,进而对物体的传热特性进行分析。

　　2·2　试件热扩散系数测量的理论基础

　　对于各向异性的三维固体,其瞬时导热微分方程为

　　根据导热反(逆)问题原理,在测得温度分布t随时间τ而变化的函数关系后,就可以利用相应的方程计算物体的热扩散系数a,进而再根据式(4)确定物体的导热系数λ。

　　3　实验装置及数据处理

　　3·1　试件的选取

　　在此,选择实验材料为碳纤维材料,尺寸为100mm×20 mm×1.5 mm(长×宽×厚)。这是一种黑色、柔软、松散的多孔带状导体,以5种不同温度:1 200℃、1 400℃、1 600℃、1 800℃和2 000℃在高温炉中进行处理,得到5种导热性能不同的碳纤维试件A0、A1、A2、A3和A4。材料在进行处理后的导热性能差异是令人关注的问题,本文应用红外热成像技术对这5种试件的导热性能进行了测试。由于试件是较薄的一维导热物体,采用闪发式非稳态法进行实验,试件各向同性且热物性参数不随时间变化。