TPS法测定泡沫铜／石蜡复合

文献：TPS法测定泡沫铜／石蜡复合相变材料热物性张涛，余建祖，高红霞(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083)摘要：运用瞬态平面热源法(TransientPlaneSource--TPS)对4种孔隙率的泡沫铜／石蜡复合材料热物性进行了测量。以10um厚的镍金属按双螺旋线布置作为测量探头。泡沫铜材料孔隙率分别为ε=97．79％、ε=96.17％、ε=94．94％和ε=93．26％，经线切割加工后向内灌入液态石蜡，凝固后作为测试样品。在室温(25±l℃)和常压下对复合材料的等效导热系数、热容及热扩散率进行了测量并分析。1、测试原理及方法导热系数的测量方法主要分为稳态法和非稳态法两种①在稳态测试方法中，测试样品内的温度分布是不随时间而变化的稳态温度场，当样品达到热平衡后，借助测量试样每单位面积的热流密度和温度梯度，就可直接测定样品的导热系数。达到稳态温度场的耗时较长，并且测量中引人的误差因素较多，精度有限②在非稳态测试方法中，测试样品内的温度分布是随着时间而变化的非稳态温度场，借助测量样品温度变化的速率，就可以测定样品的热扩散率，从而得到材料的导热系数。瞬态测试方法，适合测量的材料导热系数的范围较广、测量时间也比较短。本次试验采用瞬态板热源(TransientPlaneSource---TPS)法，即瞬态平面热源法1.1TPS测试原理

瞬态平板热源(TPS)法是利用一个具有双螺旋图案排布且热容和厚度可忽略的导电薄膜作为测量探头，该探头在测试过程中既是一个用来加热样品的热源，又是一个用来记录温度随时间升高的阻值温度计。图1双螺旋探头结构当探头通电加热时，其电阻值随时间的变化可表示为:——假设探头和被测样品完全接触时，经过一个恒定电流脉冲后的温度上升平均值，可以表示为：由于探头的双螺旋结构，想获得准确的D()描述方程比较困难，Suleiman指出，以同心圆环结构代替双螺旋结构进行计算对结果影响不大，尤其当无量纲时间r<3时，其影响完全可忽略不计。本文中所使用的拥有15个圆环探头的D()函数如图2所示。—无量纲时间。将测得的电阻R(t)对D()作图应当得到一条直线。通过反复变化进行拟合，寻找到正确的值，使R(t)对D()的直线相关性达到最大，此时热扩散系数就可以由去得到，而热导率由直线的斜率C计算得到。1.2测试方法实验中所用探头是由厚10μm的镍金属按双螺旋线布置的，螺旋结构两侧用厚30μm的聚酰亚胺薄膜覆盖以达到绝缘和保护效果。1.3测试样品实验中所测样品泡沫铜孔隙率分别为97．79％、96．17％、94．94％和93．26％，孔密度均为PPI=22．5。实验中将泡沫铜制作为80mm×80mm×15mm的矩形体，测试时，在探头上通以恒定输出的直流电，由于温度升高，探头的电阻值发生变化，从而使探头两端的电压发生变化。2、测试结果及分析2．1测试结果

在室温(25±1℃)和大气环境下对4种孔隙率的泡沫铜／石蜡复合材料试件各进行了3次测量，测量结果如表2。2．2物性计算关联式考虑到热容所反映的物理含义是单位体积的物质升高l℃所吸收的热量，用式(6)对复合材料热容进行计算：为了获得泡沫铜，石蜡复合材料导热系数随泡沫铜孔隙率变化的简便关联式，在此假设和分别代表当热流与材料排列平行和垂直时复合材料所具有的等效导热系数，则这两种材料复合的方式，如图5所示，可以看作是求解复合材料等效导热系数的两种极端情况的理想化模型。当热流与材料排列平行时，复合材料存在最大的等效导热系数为：当热流与材料排列垂直时，复合材料存在最小的等效导热系数为：对于实际的复合材料，其等效导热系数是介于上述两种极端情况之间的。可以假想热流与材料排列方式之间存在夹角复合材料的等效导热系数可用式(9)表示：将式(7)和式(8)代入式(9)得：则按照最小二乘原则最佳拟合函数关系为：实验用泡沫铜与石蜡复合材料等效导热系数就可通过式(10)与式(11)进行计算。运用式(6)、式(10)和式(II)对泡沫铜／石蜡复合材料等效热容及等效导热系数进行计算，计算结果与实验值的对比情况如表4所示以上说明复合材料热物性中像等效热容这类与结构无关的参数(如密度、体积相变潜热等)可直接通过各组分相应物性比例加成得到，而等效导热系数这种与结构等多种因素相关的物性需通过实验测量的方法确定，或是由一定量的实验数据获得拟合公式进行计算。3、结论添加高孔隙率泡沫金属可以在其它热物性改变不大的情况下大幅提高复合材料的导热和热扩散能力。添加泡沫金属后复合相变材料热物性的计算应分为两类考虑：与几何结构无关的体积参数(如密度、热容等)可通过复合成分相关物性比例加成的方法得到；而与几何结构有关的物性(如导热系数等)，由于泡沫金属结构非常复杂，且每种混合物又由于各组分物性、相容性等因素的影响，较为准确的参数值应当根据实验确定，或足通过一定量的同