导热的复合材料

导热的复合材料（通用12篇）

导热的复合材料 篇1

研制新型高导热材料在航空、军事、信息、能源等各个领域有着广阔的实际应用前景和重大意义。碳纳米管 (CNTs) 一直是纳米材料研究领域的热点之一, 它具有优良的导热性能, 其导热系数高达6 600 W/m·k。将它混入其他材料中, 利用碳纳米管制备复合材料, 可以赋于复合材料优异的热导性能。

一、设备与仪器

油压千金顶:型号QYL2D;成型模具:内径15.00 mm;电子天平:FA2004N;烧结炉:型号:RJK-2-130;控温仪器:智能温度控制仪, 型号:AN-T2K21A40S1;电位差计50 m V;稳压电源60 V、0.6A;标准电阻;导热系数综合试验台。

二、实验原理与方法

粉末冶金是将金属粉末 (或掺入部分非金属粉末的混合料) 经过成型和烧结, 制成金属零件或金属材料的一种工艺技术。其生产工艺大致为:混料→成型→烧结。

1. 混料

1) 制造碳管纳米液体。通过在分散介质中加入表面活性剂来降低碳纳米管表面张力, 达到均匀的分散度;选用的分散介质为乙醇, 并利用超声振荡的方法促使碳纳米管更好的分散, 制成碳管纳米液体。

2) 采用实验小型球磨机将碳管纳米液体与铝合金粉末机械混匀, 混后凉干备用。

2. 成型

1) 在成形前, 粉末混合料中加一些成型剂 (润滑剂) 并搅拌均匀;2) 用内径为15.00 mm的模具将松散的混合料通过压制制成具有—定形状和强度的“压坯”。

3. 烧结工艺

实验中采用氩气保护, 防止试样被氧化。制造成直径15 mm, 厚5 mm的材料样品。

试样烧结分为低温预烧和 (高温) 烧结2个阶段。低温预烧温度为200℃, 保温时间Q min (关键字用字母代替) ;高温烧结温度为600~700℃, 保温时间为6 h。由于加入了有色金属M (关键字用字母代替) 。烧结时将压坯放入炉中, 缓慢加热到200℃, 保温90min。在保温结束后, 以较快速度加热到所规定的烧结温度, 并保温相应时间。在高温烧结保温结束后, 试样随炉冷却至室温。

三、样品测试

1. 电源与稳压电源接通后, 按所测材料导热性大小, 调整加热器两端的电压。等候约30分钟后, 使稳压电源工作状态趋向稳定;

2. 利用电位差计检查试样初始温差, 确定加热面和散热面的

电势差是否一样, 如果相差在0.1℃以内时, 实验即可进行;

3. 接通电源, 一般在10-30 min后即可达到准稳态阶段, 此时

记录下2个热电偶所测量出的电压值, 从表中读出对应的温度值, 代入上式即可算得导热系数;

4. 关掉电源, 将试样取出, 用游标卡尺测量其厚度。此试验结束。

四、实验结果与讨论

1. 纯铝作为参照标准, 烧制成的新材料导热系数均有大幅度提高。

2. 材料中加入的M金属作为液相出现在烧结过程中, 有利于铝—碳纳米管的结晶。

3. 分析含碳纳米管的新材料导热系数可知, 随着碳纳米管质量百分比的增加, 材料的导热系数呈升高趋势。

但由于样品数量有限以及测量仪器的范围和精度限制, 虽然没有测试样品在高温状态下的导热率, 但在0~30℃区间范围内, 新材料已经明显体现出在同样温度、同种外界条件下, 其导热性能优于纯铝的性质。

4. 通过多次实验, 测定了不同组成材料在0~30℃温度范围内的热导率, 其数值如图1所示。

显然, 随着材料中碳纳米管质量百分比的增加, 材料的导热系数呈不断升高趋势, 说明新材料的热学性能越来越好。但达到5%后, 再增加碳纳米管质量百分比对提高热导率的影响不大。因此, 综合考虑材料综合性能与成本, 研制的新的铝合金, 含碳纳米管为5%有着极为优良的导热特性。

五、结论

所研发的新型铝合金复合材料, 含碳纳米管为 (4~5) %, 具有优良的导热特性。在同样温度、同样外界条件下, 新材料的导热性能显著优于6061铝合金的导热性质, 热导率可达到405.8 W/m·k, 是6061铝合金的2倍以上。材质均匀、各向同性、价格低廉, 可用于制造电脑CPU的散热片、家用暖气片、太阳能热水器的材料以及交通, 空调、冷库、电子封装材料等设备中。

参考文献

[1]黄培云.粉末冶金原理 (第2版) [M].北京:冶金工业出版社, 1997:7-330.

[2]王盘鑫.粉末冶金学[M].北京:冶金工业出版社, 1997:181-233.

[3][美]H.H.豪斯纳.北京市粉末治金研究所 (译) .粉末冶金手册[M].北京:冶金工业出版社, 1982:1-17.

[4]王茂章, 贺福.碳纤维的制造、性质及其应用[M].北京:科学出版社, 1984.

导热的复合材料 篇2

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一、概述

耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。又称不锈耐酸钢。实际应用中，常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异，前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素，当钢中含铬量达到1.2％左右时，铬与腐蚀介质中的氧作用，在钢表面形成一层很薄的氧化膜（自钝化膜），可阻止钢的基体进一步腐蚀。除铬外，常用的合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。

不锈钢通常按基体组织分为：

1、铁素体不锈钢。含铬12％～30％。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高，耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。

2、奥氏体不锈钢。含铬大于18％，还含有 8％左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好，可耐多种介质腐蚀。

3、奥氏体-铁素体双相不锈钢。兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点，并具有超塑性。

4、马氏体不锈钢。强度高，但塑性和可焊性较差。

5、沉淀硬化型不锈钢。具有有很好的成形性能和良好的焊接性，可作为超高强度的材料在核工业、航空和航天工业中应用。

按成分可分为Cr系（SUS400）、Cr－Ni系（SUS300）、Cr－Mn－Ni（SUS200）及析出硬化系（SUS600）。

二、不锈钢历史

不锈钢是具有60年发展历程的现代材料

三、不锈钢作用

自本世纪初发明不锈钢以来，不锈钢就把现代材料的形象和建筑应用中的卓越声誉集于一身，使其竞争对手羡慕不已。不锈钢不会产生腐蚀、点蚀、锈蚀或磨损。不锈钢还是建筑用金属材料中强度最高的材料之一。由于不锈钢具有良好的耐腐蚀性，所以它能使结构部件永久地保持工程设计的完整性。含铬不锈钢还集机械强度和高延伸性于一身，易于部件的加工制造，可满足建筑师和结构设计人员的需要。

四、不锈钢牌号分组

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200 系列—铬-镍-锰 奥氏体不锈钢

300 系列—铬-镍 奥氏体不锈钢

301—延展性好，用于成型产品。也可通过机械加工使其迅速硬化。焊接性好。抗磨性和疲劳强度优于304不锈钢。

302—耐腐蚀性同304，由于含碳相对要高因而强度更好。

303—通过添加少量的硫、磷使其较304更易切削加工。

304—通用型号；即18/8不锈钢。GB牌号为0Cr18Ni9。

309—较之304有更好的耐温性。

316—继304之後，导热油锅炉文献扩展阅读http://

不锈钢的耐腐蚀性取决于铬，但是因为铬是钢的组成部分之一，所以保护方法不尽相同。

在铬的添加量达到10．5％时，钢的耐大气腐蚀性能显著增加，但铬含量更高时，尽管仍可提高耐腐蚀性，但不明显。原因是用铬对钢进行合金化处理时，把表面氧化物的类型改变成了类似于纯铬金属上形成的表面氧化物。这种紧密粘附的富铬氧化物保护表面，防止进一步地氧化。这种氧化层极薄，透过它可以看到钢表面的自然光泽，使不锈钢具有独特的表面。而且，如果损坏了表层，所暴露出的钢表面会和大气反应进行自我修理，重新形成这种“钝化膜”，继续起保护作用。

因此，所有的不锈钢都具有一种共同的特性，即铬含量均在10．5％以上。

六、不锈钢的类型

“不锈钢”一词不仅仅是单纯指一种不锈钢，而是表示一百多种工业不锈钢，所开发的每种不锈钢都在其特定的应用领域具有良好的性能。成功的关键首先是要弄清用途，然后再确定正确的钢种。有关不锈钢的进一步详细情况可参见由NiDI编制的“不锈钢指南”软盘。

幸而和建筑构造应用领域有关的钢种通常只有六种。它们都含有17～22％的铬，较好的钢种还含有镍。添加钼可进一步改善大气腐蚀性，特别是耐含氯化物大气的腐蚀。

七、不锈钢的优点--耐大气腐蚀

经验表明，大气的腐蚀程度因地域而异。为便于说明，建议把地域分成四类，即：乡村，城市，工业区和沿海地区。

乡村是基本上无污染的区域。该区人口密度低，只有无污染的工业。

城市为典型的居住、商业和轻工业区，该区内有轻度污染，例如交通污染。

工业区为重工业造成大气污染的区域。污染可能是由于燃油所形成的气体，例如硫和氮的氧化物，或者是化工厂或加工厂释放的其它气体。空气中悬游的颗粒，像钢铁生产过程中产生的灰尘或氧化铁的沉积也会使腐蚀增加。

沿海地区通常指的是距海边一英里以内的区域。但是，海洋大气可以向内陆纵深蔓延，在海岛上更是如此，盛行风来自海洋，而且气候恶劣。例如，英国气候条件就是如此，所以整个国家都属于沿海区域。如果风中夹杂着海洋雾气，特别是由于蒸发造成盐沉积集聚，再加上雨水少，不经常被雨水冲刷，沿海区域的条件就更加不利。如果还有工业污染的话，腐蚀性就更大。

美国、英国、法国、意大利、瑞典和澳大利亚所进行的研究工作已经确定了这些区域对各种不锈钢耐大气腐蚀的影响。有关内容在NiIDI出版的《建筑师便览》中作了简单介绍，该书中的表可以帮助设计人员为各种区域选择成本效益最好的不锈钢。

在进行选择时，重要的是确定是否还有当地的因素影响使用现场环境。例如，导热油锅炉文献扩展阅读http:// 不锈钢用在工厂烟囱的下方，用在空调排气挡板附近或废钢场附近，会存在非一般的条件。

八、维修及清理

和其它曝露于大气中的材料一样，不锈钢也会脏。今后的讲座将分析影响维修及清理成本的设计因素。但是，在雨水冲刷，人工冲洗和已脏表面之间还存在着一种相互关系。

通过把相同的板条直接放在大气中和放在有棚的地方确定了雨水冲刷的效果。人工冲洗的效果是通过人工用海绵沾上肥皂水每隔六个月擦洗每块板条的右边来确定的。结果发现，与放在有棚的地方和不被冲洗的地方的板条相比，通过雨水冲刷和人工擦洗去除表面的灰尘和淤积对表面情况有良好的作用。而且还发现，表面加工的状况也有影响，表面平滑的板条比表面粗糙的板条效果要好。

因此洗刷的间隔时间受多种因素影响，主要的影响因素是所要求的审美标准。虽然许多不锈钢幕墙仅仅是在擦玻璃时才进行冲洗，但是，一般来讲，用于外部的不锈钢每年洗刷两次。

九、典型用途

大多数的使用要求是长期保持建筑物的原有外貌。在确定要选用的不锈钢类型时，主要考虑的是所要求的审美标准、所在地大气的腐蚀性以及要采用的清理制度。

然而，其它应用越来越多的只是寻求结构的完整性或不透水性。例如，工业建筑的屋顶和侧墙。在这些应用中，物主的建造成本可能比审美更为重要，表面不很干净也可以。

在干燥的室内环境中使用430不锈钢效果相当好。但是，在乡村和城市要想在户外保持其外观，就需经常进行清洗。在污染严重的工业区和沿海地区，表面会非常脏，甚至产生锈蚀。但要获得户外环境中的审美效果，就需采用含镍不锈钢。所以，304不锈钢广泛用于幕墙、侧墙、屋顶及其它建筑用途，但在侵蚀性严重的工业或海洋大气中，最好采用316不锈钢。

现在，人们已充分认识到了在结构应用中使用不锈钢的优越性。有几种设计准则中包括了304和316不锈钢。因为“双相”不锈钢2205已把良好的耐大气腐蚀性能和高抗拉强度及弹限强度融为一体，所以，欧洲准则中也包括了这种钢。

十、产品形状

实际上，不锈钢是以全标准的金属形状和尺寸生产制造的，而且还有许多特殊形状。最常用的产品是用薄板和带钢制成的，也用中厚板生产特殊产品，例如，生产热轧结构型钢和挤压结构型钢。而且还有圆型、椭圆型、方型、矩型和六角型焊管或无缝钢管及其它形式的产品，包括型材、棒材、线材和铸件。

十一、表面状态

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正如后面将谈到的，为了满足建筑师们美学的要求，已开发出了多种不同的商用表面加工。例如，表面可以是高反射的或者无光泽的；可以是光面的、抛光的或压花的；可以是着色的、彩色的、电镀的或者在不锈钢表面蚀刻有图案，以满足设计人员对外观的各种要求。

保持表面状态是容易的。只需偶尔进行冲洗就能去除灰尘。由于耐腐蚀性良好，也可以容易地去除表面的涂写污染或类似的其它表面污染。

六十多年以来，建筑师们一直选用不锈钢来建造成本效益好的永久性建筑物。现有的许多建筑物充分说明了这种选择的正确性。有些是非常具有观赏性的，如纽约市的Chrysler大厦。但在许多其它应用中，不锈钢所起的作用不是那么引人注目，可是在建筑物的美学和性能方面却起着重要作用。例如，由于不锈钢比其它相同厚度的金属材料更具有耐磨性和耐压痕性，所以在人口流动量大的地方修建人行道时，它是设计人员的首选材料。

不锈钢用作建造新的建筑物和用来修复历史名胜古迹的结构材料已有70多年了。早期的设计是按照基本原则进行计算的。今天，设计规范，例如，美国土木工程师学会的标准ANSI/ASCE-8-90“冷成型不锈钢结构件设计规范”和NiDI与Euro Inox联合出版的“结构不锈钢设计手册”已简化了使用寿命长，完整性好的建筑用结构件的设计。

十二、未来展望

由于不锈钢已具备建筑材料所要求的许多理想性能，它在金属中可以说是独一无二的，而其发展仍在继续。为使不锈钢在传统的应用中性能更好，一直在改进现有的类型，而且，为了满足高级建筑应用的严格要求，正在开发新的不锈钢。由于生产效率不断提高，质量不断改进，不锈钢已成为建筑师们选择的最具有成本效益的材料之一。

不锈钢集性能、外观和使用特性于一身，所以不锈钢仍将是世界上最佳的建筑材料之一。

不锈钢的标识方法

钢的编号和表示方法

①用国际化学元素符号和本国的符号来表示化学成份，用阿拉伯字母来表示成份含量：

如：中国、俄国 12CrNi3A

②用固定位数数字来表示钢类系列或数字；如：美国、日本、300系、400系、200系；

③用拉丁字母和顺序组成序号，只表示用途。

我国的编号规则

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①采用元素符号

②用途、汉语拼音，平炉钢：P、沸腾钢：F、镇静钢：B、甲类钢：A、T8：特

8、GCr15：滚珠

◆合结钢、弹簧钢，如：20CrMnTi 60SiMn、（用万分之几表示C含量）

◆不锈钢、合金工具钢（用千分之几表示C含量），如：1Cr18Ni9 千分之一（即

0.1%C）,不锈 C≤0.08% 如0Cr18Ni9,超低碳C≤0.03% 如0Cr17Ni13Mo

国际不锈钢标示方法

美国钢铁学会是用三位数字来标示各种标准级的可锻不锈钢的。其中：

①奥氏体型不锈钢用200和300系列的数字标示，②铁素体和马氏体型不锈钢用400系列的数字表示。例如，某些较普通的奥氏体不锈钢

是以201、304、316以及310为标记，③铁素体不锈钢是以430和446为标记，马氏体不锈钢 是以410、420以及440C为标

记，双相（奥氏体－铁素体），④不锈钢、沉淀硬化不锈钢以及含铁量低于50%的高合金通常是采用专利名称或商标命名。

4)．标准的分类和分级

4-1分级：

①国家标准GB ②行业标准YB ③地方标准 ④企业标准Q/CB 4-2 分类：

①产品标准 ②包装标准 ③方法标准 ④基础标准

4-3 标准水平（分三级）：

Y级：国际先进水平I级：国际一般水平H级：国内先进水平

4-4国标

GB1220-84 不锈棒材（I级）GB4241-84 不锈焊接盘园（H级）

GB4356-84 不锈焊接盘园（I级）GB1270-80 不锈管材（I级）

GB12771-91 不锈焊管（Y级）GB3280-84 不锈冷板（I级）

交互式绝缘材料导热系数测定 篇3

摘要：为了精确测量电磁机械装置内非标准固体绝缘材料的导热系数，基于稳态热流法原理搭建固体材料导热系数测试平台，对非标准绝缘绝缘材料样品的导热系数进行了系统测量，通过研究能够有效解决交互式固体绝缘材料导热系数测量问题.为测量非标准固体绝缘材料导热系数的测定奠定了理论基础.

关键词：稳态热流法；非标准绝缘样品；导热系数；交互式法

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.006

中图分类号：TM215.1

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2015）04-0030-04

0 引言

随着能源问题的突出和现代工业的迅猛发展，当今社会越来越意识到热物性学研究的重要性.把如何迅速、精确地确定物质热物性数据作为热物性学的基本任务，当然也就显得尤为重要，作为经典的热物性测试方法的稳态热流法有测试原理简单、测定范围广等优点.在许多电力设备中，绝缘材料作为其重要组成部分，其导热性能直接影响电力设备的温度分布、最高温升乃至设备的寿命，因此研究绝缘材料的导热性能对于电力行业具有非常重要的理论价值和实际工程意义.

在电机、变压器和电抗器等电力设备的设计和研发阶段，各种绝缘材料的导热系数是必不可少的参数，所以能够准确测量绝缘材料的导热系数显得至关重要.为了缩短开发周期提高设计精度，精准、快速地测量电力设备中绝缘材料的导热系数迫在眉睫.基于稳态热流法的测量原理，本文以干式电抗器内常用的A类绝缘材料为例，利用导热仪测量其导热系数.受于导热仪对测量样品尺寸规则的局限性，针对电机内绝缘材料结构不一且难于取材制样的特点，提出了新方法——交互式绝缘材料导热系数的测量，提供更加经济便捷的测试技术，来获取尺寸非标准绝缘材料的导热系数，为电力设备的温度场数值计算以及设计开发提供保证.

1 固体材料导热系数测量方法

由传热学理论可知，由于温度不平衡的原因，导致物体内存在温差，因而热能不均匀分布.物体内粒子在没有宏观位移的情况下，热量从高温部位传到低温部位，尽管没有物质转移也存在热量传递现象，我们把借助物质微观粒子的无序运动的热传递现象称为热传导，导热系数就是用来表征物质热传导性能的物理量.

1.1 稳态热流法的测量原理

该测试系统由上下加热板、热流计、绝热板等主要部件组成，通过控制绝热板的温度，减少沿试样侧面的杂散热耗，使通过试样有效传热面积的热量基本上为一维稳态热流.

由于样品的直径远大于其厚度，可看作为无限大平行板，所以忽略了试样圆盘侧面的散热而产生的影响，近似为热流线平行，因此热量传导方向为有下至上的垂直方向，如图1所示，

导热系数是指在稳态条件下，通过垂直于热流线的单位温度梯度、单位截面面积下的热流量，绝缘性能优良的材料通常导热系数较低，导热系数中低的材料一般使用Fourier方程所描述的稳态法测试，即式中：λ为导热系数；S为垂直于热流线的试样截面面积；T₁为热板温度，T₂为冷板温度，T₁-T₂为试样上下表面温度差；d为试样的厚度，△Q为垂直平板方向传递的热量，称为热流量，

其中：通过导热仪已将热板温度T₁、冷板温度T₂设定，因此试样上下表面温度差T₁-T₂为已知条件；试样的厚度d、截面面积S也已预先测定；热流量Q可通过功率方程P=KQ（K=l）算出则导热系数单位变为W/（K.m），导热方程为：

高温导热仪测试时要求测试样品为规则圆柱体，直径100mm，厚度在5mm左右，精确度要求较高，自身对绝缘材料形状的有约束性，其实验设备如图2所示：

下面给出实验测得标准圆柱体形状绝缘材料垫块和铁饼外环氧的导热系数，如图3和表l所示.从误差计算中可知，已选材料的数据因测量次数太少而误差较大，为了在现有的测量数据上得出较精确的实验结果，故采用去掉数值最大和最小的两个数据，其他数据取平均值的方法，采用此方法得到的结果为：垫块材料的平均导热系数是0.641W/（K·m）；铁饼外环氧的平均导热系数是0.531W/（K·m）.

本研究利用混合材料等效导热系数计算公式，测定结构非标准绝缘材料的导热系数测.因此提出了基于稳态热流法导热仪测定非标准样品导热系数的方法以及实验数据修正方案，这在工程应用中是一种全新方法.

2 交互式绝缘材料导热系数测定

对于结构形状非标准的测试样品，如电机内的主绝缘、层绝缘、匝间绝缘等，其材料结构尺寸非标准形，其中的组分也不是单一材料，难以制作成规则试样，直接利用实验设备测量导热系数，需要采用一定方法来解决，这时需要本实验创新性，采用已知绝缘材料将待测材料紧密包裹成标准圆柱体形状，两种材料的厚度均是统一，并且所有材料的面积均容易测得，通过导热仪测得混合样品的等效导热系数λ_eq，再导出结构尺寸非标准绝缘材料的导热系数.

2.1 实验材料

本实验主要为了测定结构尺寸非标准绝缘材料垫块及铁饼外环氧的导热系数，它们属于E级绝缘，最高工作温度为120℃.取两个非标准绝缘试样（60mm×60mm的正方块），用已知导热系数绝缘材料做模具，使其组合成标准试样——交互式混合绝缘材料（已删除如图3所示）：（a）内垫块外铁饼外环氧和（b）外垫块内铁饼外环氧，各3块，测试绝缘材料样品正反面以A、B之分，分别记为外铁内垫A面、外铁内垫B面及外垫内铁A面、外垫内铁B面，如图4所示：

2.2 实验内容

导热仪可以直接测得整块模板的等效导热系λ_eq由于模具的导热系数已经单独制作标准测试样品测得，厚度为标准值，各部分面积可测得，因此求出结构尺寸非标准绝缘材料的导热系数计算公式如（3）所示：式中：λ₁为已知材料的导热系数；s₁为已知材料的横截面积；λ_x为待测材料的导热系数；s_x为待测材料的面积；d为整个样品的厚度；λ_eq为整块材料的等效导热系数，

利用导热仪对两交互式混合材料正反面导热系数进行多次测量，并取均值，如表2所示：

由于本研究采用的是间接测量方法，在准确度和精度上要低于传统的测量方法，但是精度已足以达到工程需要.为了验证测量的准确性，基于Fluent有限体积法工程软件对实验过程进行数值仿真，一方面验证实验的准确性，另一方面与工程实际相结合，提出导热系数在电气工程领域设计开发阶段的实用价值.

3 实验结果及误差分析

通过将已知条件带入公式（3）多次求得结构非标准绝缘材料的导热系数计算值，并与实验值进行对比，如表3所示：造成测量误差的的可能原因主要有以下几点：1）实验设备：即使是同一块材料在相同条件下测相同时间，所得结果也会有所不同，测试中出现结果与其他数据相差较大的，采取重新测量办法以减小误差；

2）由于实验设备对实验材料尺寸要求很高，必须是直径100mm的圆柱体，人为加工材料很难做到精确，稍微大些便会出现放不进去测试炉的情况，为了能放进测试炉就需将样品切削稍微小于100mm，这会产生误差，该误差已由数据处理减小；

3）实验材料的厚度对实验结果也有影响，由于材料厚度不均，很难测得准确厚度，产生误差，实验过程中采用多次测量取平均值法减小误差；另外，待测样品与已知绝缘系数样品有厚度差，使其混合体在厚度上不连续，多次测量取平均值减少误差；

4）实验材料有弯曲现象，有明显凹凸面，不是标准柱体，这可能导致传热不均引起误差，实验过程中每个混合样品正反两面各测一次，最后取平均值以减小该误差；

5）对于交互式材料在衔接处有空隙，因此使用精密仪器尽量细加工材料，使两者最大程度吻合在一起以减少误差.

通过本次试验利用交互式绝缘材料导热系数测定的方法，来测得结构形状非标准绝缘材料的导热系数，经验证在误差允许范围内测量值与真实值基本吻合，该方法的可靠实用性.

4 结论

本文基于稳态热流法原理，对结构形状非标准同体绝缘材料的导热系数进行了交互式测定，主要得到如下结沦：

1）稳态热流法能够有效地解决交互式固体绝缘材料导热系数的测定问题；

材料导热系统多点测温技术的实现 篇4

随着社会和科技的进步和发展, 新材料及合成新材料不断涌现, 如何评价新材料的性能已成为重要的研究课题, 导热仪是通过测量导热系数来测定材料导热性能的仪器, 目前导热系数的获得主要是通过理论分析和试验得到, 因理论分析特别复杂且具有不确定性, 所以现今绝大多数材料通过实验得到。

本系统是在护热平板法的基础上进行了改进, 研制了一种新型双平板式导热性能检测系统, 检测对象主要为以建筑材料为代表的低导热系数的隔热材料。

1 温度检测传输显示模块总体设计方案

本材料导热性能检测系统是一种双平板隔热材料导热系数系统, 由支架、隔热材料试件夹装部件和温度检测传输显示模块组成, 其中温度检测传输控制模块由计量加热器温度传感器模块、防护温度传感器模块、冷板加热器温度传感器模块、智能处理器模块、可调功率模块和交流继电器模块, 两块热板对应于计量加热器安装位置的外侧端面共设置22路温度传感器, 两块热板对应于防护加热器安装位置的外侧共设置16路防护加热器温度传感器, 两块冷板与热板相对的内侧端面共设置6路冷板加热器温度传感器, 每个计量加热器温度传感器模块、防护加热器温度传感器模块和冷板加热器温度传感器模块的输出端连接智能处理器模块的输入模块, 计量加热器的电流数值和电压数值连接智能处理器模块的输入接口, 智能处理器模块的输出接口连接功率可调模块, 其输出端还分别连接两块冷板加热器、计量加热器和防护加热器, 智能处理器模块的输出接快由三个交流继电器组成, 该三个交流继电器的线圈均通过电压转换模块连接智能处理器模块的输出接口连接, 该三个交流继电器的常开触点分别连接隔热箱上面板气管上的电磁阀、隔热箱左面板板气管上的电磁阀和隔热箱右面板板气管上的电磁阀。智能处理器模块的输出接口经D/A转换器和一级放大电路控制变频器, 进而控制制冷压缩机, 最终实现冷板的变频制冷。

上位机为带有串口的计算机, 温度传感器使用的芯片为DS18B20, 智能处模块为Atmega64。

系统用ATmega64-16AC单片机[1]作智能部件, 包括多点温度检测电路、电磁阀及压缩机控制电路、加热控制电路、功率检测与调理电路、串口通信电路、电源管理模块等。

2 多点温度检测电路

为实现多点温度测量, 本系统采用6个M74HC4051[2], 可以实现48路温度的采集控制, 本系统采用了其中44路来实现对计量区22路温度采集, 防护区16路温度采集, 冷区6路温度采集。温度传感器采用数字温度芯片DS18B20[3]。M74HC4051是8通道模拟多路选择器/多路分配器, 工作电压为6V, 带有3个数字选择端, 1个低有效使能端, 8个独立输入/输出端, 在上限VCC和下限VEE之间摆动, 1个公共输入/输出端。其中, VEE将被连接到GND上 (一般是接地) 。DS18B20内部结构主要由:64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器组成, DS18B20具有精度高、体积小、供电电压宽、单总线、组网容易等优点。

在具体电路中, 单片机ATmega64-16AC的7脚、8脚、9脚、29脚、33脚和34脚分别控制6个M74HC4051的低效使能端, 来控制某个M74HC4051选通, 30脚、31脚和32脚作为M74HC4051的输入端, 来控制某个温度传感器信号选通, 6个M74HC4051的输出端通过下拉电阻连接到单片机ATmega64-16AC的18脚, 将温度信号传送至单片机。

3 温度值确定方法

在下位机的采集程序[4]中, 温度值是这样确定的, 首先进行误采判断, 判断采集的温度是否是正常值, 即温度传感器在正常状态的测温值, 把不正确的 (一般表现为读取的十六进制数为00或者FF) 踢出。然后将剩下的取平均, 以保证所采集的温度是保护区的平均温度。温度采集数据见图3所示。

4 结论

本系统采用的多点温度检测系统由44个数字温度芯片DS18B20和6个M74HC4051及外围电路组成, 单片机ATmega64-16AC只需一个I/O就可以驱动44个DS18B20, 轻松的组建了传感器网络。DS18B20全数字化信号输出, 只需一线总线接口便送入ATmega64-16AC, 较传统的测温方法外围电路非常简单, 且该芯片具有物理化学性很稳定、通信协议简单、成本低、配置灵活、传输距离远和抗干扰性强等优点。

参考文献

[1]李华等.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1993:11-12.

[2]He Liming.The design of applying systems for single-chip computer[M].Bei Jing, Bei Hang University Press, 1990:53-55.

[3]何希才.传感器及其应用电路[M].北京:电子工业出版社, 2001:111-123.

导热油炉工作原理 篇5

A.导热油炉工作原理：是以煤、重油、轻油或可燃液体为燃料，导热油为热载体。利用循环油泵强制液相循环，将热能输送给用热设备后，继而返回重新加热的直流式特种工业炉。

B.导热油炉操作规程：

一、启动前的检查

1、加热炉及其周围是否清洁无杂物，检查炉体、燃烧器、控制器、看火孔、烟（囱）道等是否正常；

2、倒通工艺设备及流程，检查膨胀槽油位是否在1／4－1／2 液位以上位置，温度计、压力表等是否正常；

3、接通加热炉控制柜电源，检查电压是否正常，检查指示灯及各显示仪表是否正常；

4、调整好燃气主减压阀、次减压阀，使压力控制为0.005 MPa。

二、启动

1、启动导热油循环泵（运一备一，参照水泵操作规程执行），启泵后正常循环0.5小时左右使压力平稳；

2、按燃烧器启动按钮，观察炉膛火焰是否正常燃烧，若不点火，应在排除故障后，再次启动燃烧器。

三、停炉操作

1、正常停炉①逐步降低温度，关闭燃烧器，停止燃烧；②待热油温度降至70℃以下，停止热油循环泵的运行（参照水泵操作规程执行）；③关闭总电源，做好交接班记录。

2.紧急停炉

如果因紧急情况紧急停炉时，应迅速关闭燃烧器，同时沿燃烧器铰轴将燃烧器移开，让炉膛与烟囱之间形成自然通风状态，将炉膛内的蓄热散发，以便导热油自然冷却，防止过热。

四、注意事项

1、巡回检查时应注意检查导热油炉周围是否发生泄漏，附近应有配置足够的油类及电器类的消防器材，不准用水作为灭火剂；

C.导热油炉的分类：导热油炉按加热方式分为燃煤导热油炉、燃油导热油炉、燃气导热油炉和电加热导热油炉。

D.导热油炉结构特点：

1.能在较低的运行压力下，获得较高的工作温。

2.可进得稳定的加热和精确的温度。

3.在各个等级的负荷下热效率均能保持在最佳水平。

4.液相输送热能，在300℃时热载体较水的饱和蒸汽压力小70倍。

5.具有完备的运行控制和安全监测装置。

6.节电、节油、节水、节约耗费，3~6个月回收投资。

导热的复合材料 篇6

关键词：复合材料；碳纤维；导热性能；增强体

随着复合材料的广泛应用，其导热性能也受到越来越多的人们的重视。复合材料的导热性能的效果直接决定了复合材料的应用领域。例如，在太空中使用复合材料制件时，必须考虑复合材料的导热性能，有些制件需要其具有较好的导热性能，以便于及时将产生的热量排出制件，延长制件的使用寿命；而有些制件则需要复合材料具有较低的导热系数。这是由于當外界的温度远远大于制件内部的温度时，为了保证制件内部的正常应用，必须保证制件内部不受到或少受到外界温度的干扰。因此，复合材料的导热性能是扩展复合材料应用领域必须解决的问题。

由此导致在20实际60年代发展了高强度、高模、低密度的碳纤维，来满足航空航天工业受力结构的应用需求。碳（石墨）纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。其最高强度已达7000MPa，最高弹性模量达900GPa，而其密度约为1.8～2.1g/ cm3，并具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温等优异性能，是一种很有发展前景的高性能纤维。

碳纤维是以碳、石墨纤维的总称。碳纤维有许多品种，有不同的分类方法，一般可以根据原丝的类型、碳纤维的性能和用途进行分类。碳纤维按石墨化程度可分为碳纤维和石墨纤维，一般将小于1500℃碳化处理成的称为碳纤维，将碳化处理后再经高温石墨化处理（2500℃）的碳纤维称为石墨纤维。碳纤维强度高，而石墨纤维模量高；以制取碳纤维的原丝类型分则可以分为聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维、沥青基碳纤维和木质素纤维基碳纤维。按其力学性能分可以分为：高强度碳纤维、高模量碳纤维和中模量碳纤维。其中后者有耐火纤维、碳质纤维和石墨纤维等

碳纤维由于具有石墨微晶的自润滑特性及较高的模量，加入热固性聚合物后能使摩擦系数与磨损率降低。朱波[2]等研究了影响碳纤维增强树脂基复合材料摩擦系数的因素，他发现在复合材料中加入碳纤维后可显著降低复合材料的摩擦系数，随碳纤维加入方式的不同，碳纤维对摩擦系数的影响作用也不同。王玉果等人研究了三维编织碳纤维增强环氧树脂复合材料的摩擦学行为，他发现随着纤维体积含量的增加， 复合材料的摩擦系数先下降后上升；而当纤维体积含量达到35%时，复合材料具有最小的磨损率；将纤维表面进行处理后，复合材料的磨损率进一步降低， 耐磨性提高并且在水润滑条件下复合材料的摩擦磨损性能远优于干摩擦条件下的摩擦磨损性能；此外，干摩擦条件下的复合材料的磨损机制主要为粘着磨损， 而水润滑条件下则以磨粒磨损为主

[3]。Su[4]通过实验发现，在环境温

度为0～75℃时，碳纤维增强环氧树脂基复合材料的摩擦系数随温度的升高而降低，但是，当外界环境温度高于75℃时，复合材料的摩擦系数随环境温度的升高而增大。而复合材料的磨损率则在任何温度下，均随温度的升高而增大。同时，他还发现在碳纤维增强复合材料中加入纳米Al2O3与Si3N4颗粒时，在摩擦过程中有助于在摩擦副的表面形成一层转移膜，这层膜的出现有助于降低复合材料的摩擦系数与磨损率。

随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐普及。在当今世界高速工业化的大背景下，碳纤维用途正趋向多样化。中国已经有使用长纤作为高性能纤维的一种，在要求高温，物理稳定性高的场合，碳纤维复合材料具备不可替代的优势。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，正是由于兼具优异性能，碳纤维在国防和民用领域均有广泛的应用前景。

碳纤维在传统使用中除用作绝热保温材料外。 多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维已成为先进复合材料最重要的增强材料。由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面积整体成型等特点，已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。

高性能碳纤维作为制造先进复合材料最重要的增强材料，随着高新技术的发展而日益深入，其结构和性能的可设计性不断推动着新材料的问世和性能的改善，其应用领域也是将越来越广泛。

参考文献

[1] 周曦亚. 复合材料[M]. 北京：化学工业出版社，2009.

[2] 朱波，王成国. 影响碳纤维增强复合材料摩擦系数的因素[J]. 材料科学与工程， 2002；20（3）：361-363.

[3] 王玉果，王玉林. 三维编织碳/环氧复合材料的摩擦学特性[J]. 天津大学学报， 2005；38（9）：759-762.

[4] Feng-Hua Su， Zhao-Zhu Zhang， Kun Wang， Wei Jiang，Xue-Hu Men， Wei-MinLiu. Friction and wear properties of carbon fabric composites filledwith nano-Al2O3 and nano-Si3N4[J]. Composites Part A， 2006；37：1351-1357.

[5] 刘家浚. 材料磨损原理及其耐磨性[M]. 北京. 清华大学出版社，1993；285.

[6] 胡保全，牛晋川. 先进复合材料[M]. 北京：国防工业出版社，2006.

导热的复合材料 篇7

随着科技的进步与发展,电子产品越来越微型化,单位面积上的发热量随之增大,散热对产品极为重要。导热橡胶具有耐腐蚀、绝缘性能较好、质轻等优点,广泛运用于微型电子产品中[1]。由于单一的高分子材料导热性能较差,为了得到导热性能较好的高分子材料,人们通过在高分子材料中添加导热填料来提高复合材料的导热性能[2]。纤维填料因具有显著的各向异性,对复合材料各方向上的性能改善较为显著,因此被广泛应用于复合材料中。

在纤维填料复合材料研究方面,多数研究集中在弹性性能、力学性能、耐磨性能等方面,对纤维填充复合材料导热性能的研究较少。在复合材料热物性研究方面,Springer-Tasi等[3]假设填料纤维呈柱状且在基体中直角分布,通过分析复合材料剪切负荷与热传导的关系,推导出垂直于纤维方向上热导率的预测模型。Agari Y[4]通过研究短切纤维填充复合材料的导热性能得出纤维填充复合材料理论模型。张立群等[5]通过实验的方法研究了沥青基碳纤维、不锈钢短纤维、片状石墨对橡胶复合材料导热性能的影响,发现复合材料的导热性能随纤维含量的增大而增大。Assimina A Pelegri等[6,7]通过随机顺序添加RSA(Random sequential addition)算法,得到纤维随机填充复合材料模型,并对其性能进行数值模拟,研究发现纤维取向是影响复合材料性能的主要因素;当填充分数较低时,纤维交叉对复合材料的影响微乎其微,当填充分数较高时,纤维交叉的影响不容忽视。何燕等[8]通过研究填料粒子对复合材料导热性能影响,在一定的纤维取向下,复合材料的热导率随纤维长径比的增大而增大,在选定取向下,纤维填料的空间取向对复合材料的导热性能影响显著。楼熹辰等[9]通过实验的方法研究了碳纤维/高分子复合材料的导热性能,研究发现复合材料的热扩散系数随纤维填充量的增大而增大。在纤维复合材料研究过程中,研究者对纤维在基体中的分布做了一定的假设,对纤维填料随机填充橡胶复合材料的研究较少。

本研究通过以三元乙丙橡胶为复合材料基体,沥青基碳纤维为填料,基于随机顺序添加RSA算法,采用均匀化理论构建纤维填料随机填充橡胶复合材料数值分析模型,探讨了碳纤维填料空间随机填充橡胶复合材料时的导热性能。

1 RVE模型建立

对于填充型复合材料的数值研究,橡胶复合材料中的填料粒子在整体上具有周期性,因此只需要选取具有代表性的体积单元(40μm×40μm×40μm)来预测复合材料整体的导热性能。本研究通过RSA算法,得到不同填充分数下碳纤维填料随机填充橡胶复合材料的RVE(Representative volume element)模型。假设碳纤维互相不接触,碳纤维填料与橡胶基体接触理想,即不存在接触热阻。图1为碳纤维填料随机填充三元乙丙橡胶复合材料的RVE模型。

2 材料属性及分析过程设计

此次模拟研究选择三元乙丙橡胶为基体,碳纤维(Nippon CN-90[10])为填料,两种材料的具体属性如表1所示。

本研究选取填料的质量分数分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%。对复合材料RVE模型的研究采用稳态热分析法,在稳态导热中,由于不考虑辐射和对流换热引起的热量变化,为计算方便,在研究方向上的2个面施加高温边界为40℃,低温边界为20℃,其余2个方向的4个面为周期性边界,即为绝热,对模型的研究为一维稳态导热过程。由于纤维填料具有明显的取向性,复合材料单一方向上的热导率不能真实反映其整体的导热性能,取代表体积单元X、Y、Z三个方向上热导率的平均值作为代表体积单元整体的热导率;在同一纤维填充量、填充分数、长径比下生成了5种不同的随机模型进行数值计算,取5种模型的平均值作为该随机分布下复合材料整体的热导率。

3 结果与讨论

3.1 纤维填充数目对复合材料导热性能的影响

图2为填充质量分数为10%和20%时,长径比为10的碳纤维填充复合材料导热性能随纤维数变化的模拟结果。

在填充碳纤维为10%和20%时,复合材料的平均热导率为0.48W/(m·K)和0.82W/(m·K)。从图2中可以看出,当碳纤维数量从10~40根变化时,复合材料整体的导热性能并不随其填充数量的增大有明显的变化趋势,而是在平均热导率附近上下波动。添加碳纤维质量分数为10%和20%时,不同碳纤维根数下复合材料的热导率与平均导热系数的最大差值分别为0.01 W/(m·K)和0.05 W/(m·K),约为平均导热系数的2.38%和6.10%。因此在填充分数和长径比不变的情况下,碳纤维根数对复合材料的导热性能的影响较小。参照填充质量分数为10%和20%的模拟结果,选取25根碳纤维填充复合材料的RVE模型进行研究。

3.2 纤维不同空间分布对复合材料导热性能的影响

图3为碳纤维填充质量分数为15%,长径比为10时5种不同空间分布复合材料模型导热性能的模拟结果。从图3中可以看出,每种RVE模型在X、Y、Z三个方向的导热性能有明显的差异,且5种模型的导热性能波动较明显,这是碳纤维自身的取向性及在复合材料基体中随机分布引起的。

图4为导热系数方向差异最显著的第4组模型中碳纤维在X、Y、Z三个方向上的分布及温度图。

从图4中可以看出,多数碳纤维的分布与Y轴的夹角较小,即与Y轴热流方向趋于平行,与Z轴热流方向趋于垂直,因此Y轴方向复合材料的热导率明显大于Z方向的热导率。复合材料在Y方向上的导热性能与在Z方向的导热性能相差0.32 W/(m·K),相当于橡胶基体热导率的121.79%。因此,合理安排纤维填料在橡胶基体中的分布取向能更好地提高橡胶复合材料的热导率。

3.3 纤维长径比对复合材料导热性能的影响

图5为填充质量分数15%碳纤维时,纤维长径比对复合材料导热性能影响的模拟结果。

从图5中可以看出,在填充分数和填充纤维数相同时,即单个纤维的体积不变时,碳纤维随机填充复合材料RVE模型整体的导热性能随着纤维填料长径比的增大而增大。当碳纤维填料的长径比为12时,复合材料的平均热导率高达0.69 W/(m·K),比未填加碳纤维填料时复合材料的热导率提高了266.99%。因此,纤维填料的长径比是影响纤维型复合材料导热性能的重要因素。

3.4 数值模拟结果与实验结果、理论模型的比较

本研究选取适用于短纤维填充型复合材料导热系数预测的Nielsen-Lewis理论模型[11]以及赵雅薇[12]的碳纤维随机填充复合材料的实验结果进行比较,数值模型中基体参数保持不变,填料的导热系数取为200 W/(m·K),不同填充分数下碳纤维填充复合材料的模拟计算值与理论计算值对比结果如图6所示。

从图6中可以看出,本研究的数值模拟结果与理论模型计算值及碳纤维填充复合材料实验结果的变化趋势一致,复合材料的平均导热性能均随着填充分数的增大而增大。就具体数值而言,数值模拟值、理论模型计算值与实验值有一定的偏差。在填充分数小于15%时,数值模拟值略大于Nielsen-Lewis模型计算结果,但两者均小于实验测量值。分析其原因,在理论模型和本研究的数值模型中,均假定填料与基体理想接触,忽略两者之间的界面相互作用[13],而在低填充量时这种相互作用不能忽略。随着填充分数的增大,填料本身导热网链逐步形成,界面作用的影响减小,填充分数和空间取向分布的影响更为显著。当填充分数大于15%时,本研究数值模拟结果与实验结果基本吻合,均高于理论模型预测值。在所研究的填充分数范围内,数值模拟结果与理论模型相比更接近实验测量值,表明本研究所建立的三维空间随机分布模型能更好地预测纤维填料填充复合材料的导热性能,尤其在高填充分数时,更接近实际。

4 结论

(1)碳纤维填料填充橡胶复合材料时,纤维填料在一定的填充分数及长径比下,纤维数对橡胶复合材料导热性能的影响非常小;纤维填料空间分布对复合材料导热性能的影响较为明显,合理安排纤维空间分布能有效提高复合材料的导热性能。

(2)碳纤维填充分数及填充根数不变,即单个纤维体积不变时,纤维填料在橡胶基体中的分布取向及长径比对复合材料导热性能的影响较为明显,复合材料的导热性能随纤维填料长径比的增大而增大;对于碳纤维填料填充橡胶复合材料,随着碳纤维填料含量的增加,纤维填料在橡胶基体中更容易形成导热网链,复合材料整体的热导率逐渐增大。

对导热高分子材料的研究与应用 篇8

1 对导热高分子材料的研究

对于各种材料来说, 导热的机理是不同的, 对于晶体的导热机理, 其中是排列整齐的晶粒热振动, 主要是利用声子的概念进行描述[1]。另外, 是对于一些金属晶体来说, 其中一些自由电子的运动对导热起着重要的作用, 并且声子所做出的贡献在一定程度上是可以忽略的。非晶体的导热主要是利用无规律的分子进行排列的, 这样能够围绕在一定的位置上进行热震动, 将能量传递给分子以及原子。对于非晶体来说, 可以将其看成是晶粒极细的晶体, 因此在也可以利用声子的概念对其进行分析。对于一些具有透射性的晶体, 在一定的温度下, 对导热也有明显的作用, 对于导热的载体主要是电子、声子以及光子。金属材料的导热性能要高于非金属材料, 主要是由于在金属的材料中, 存在大量的自由电子。一般来说, 对于高分子来说, 其导热的性能比较差, 要想提升其导热性能, 必须要填充一些导热性能强的填料。但是若是在高分子材料中填入填料, 那么将会降低材料的强度。

首先是对金属材料的导热机理进行分析, 其中金属的导热率为:λ=λe+λp

在以上的公式中, 其中λe代表着热导率的自由电子的分量, 而λp代表着声子的分量, 对于一些纯金属来说, 其中的λe远远大于λp, 因此会得到λ≈λe, 所以, 其中金属的导电性主要是取决于自由电子的运动, 并且金属原子之间有电子流在不断的流动, 这种电子流能够将其中的热量在一个金属原子流向另外一个原子。

在一些室温以及高于室温的条件下, 其中纯金属的热导率以及电导率之间的关系符合相应的Wiedman-Franz定律:

在上述公式中L为洛伦兹常数, 而e则是代表着电导率, T是绝对温度, 温度升高时会逐渐的导致电导率下降, 因此其中λe不会改变, 在相应的低温的条件下, 其中金属的热导率是:

在以上公式中, 其中TT2代表声子对电子的散射引起的热阻, 而U/T则是代表着由杂志对电子散射引起的热阻, 但是若是在金属含有其他的元素, 那么将会影响导热率[3]。

另外对于非金属材料的导热机理来说, 导热主要是利用声子, 其中非金属主要是分为晶体非金属以及非晶体非金属两种, 其中晶体非金属的导热率仅次于金属, 也属于一种性能比较好的导热体。只有非常纯的单晶体其热导率比较好, 这种晶体没有杂质以及错位等缺陷, 仅仅是在声子在相互之间散射而带来的热阻。在温度逐渐的降低时, 声子之间的散射会逐渐的减弱, 这样其热阻也会逐渐的降低, 直到声子的自由程被单晶体的界面限制时, 那么热阻才会逐渐的上升。

最后是对于绝缘高分子的材料的导热机理的研究, 但是绝缘高分子材料的声子自由程度很差, 因此其热导率也比较低, 其材料的导热性能主要是取决于含极性基团的数量以及极性基团偶极化的程度。对于绝缘高分子来说, 整个分子链不能够完全自由运动, 这样仅仅会发生源自以及基团后者链接的振动。所以说, 绝缘高分子材料的热导率与温度有很大的关系, 在温度逐渐的升高时, 可以发生更大基团或者链接的振动, 这样材料的导热性也会随之增加。对于绝缘高分子材料, 其热导率也缺觉与分子内部结构的紧密程度, 因此其结晶聚合物的热导率远远的大于非晶态聚合物。以此聚乙烯为例子, 超拉伸的聚乙烯的热导率可以达到未拉伸时的两倍之多, 主要是在超拉伸时候能够形成相当数量的伸展分子链构成的针状晶体, 所以, 超拉伸的聚乙烯能够成为有效的热导体。

2 对导热高分子材料的应用

日本的相关化学公司开发除了高纯度的Mg O, 其中热导率为λ≥50W/ (m·K) , 其中相当于AL2O3的三倍还多。另外利用平均粒径为5~30μm的金属粉末填料, 其中热导率为λ≥3W/ (m·K) 。另外, 日本相关机构研制出了高导热性陶瓷, 传统的氮化硅导热性能很低, 高导热性的氮化硅主要是传统氮化硅的基础上加入一些晶体粒子, 从而来使晶粒子形成100μm的纤维状的氮化硅结构, 这种新型的材料属于普通氮化硅的三倍, 热导率很高。

对于高分子材料来说, 虽然热导率比较低, 但是用石墨作为导热填料, 从而来以高兴酚醛树脂为粘结剂制成石墨导热塑料, 这样有效的保证了塑料的耐腐蚀性, 也使其具有良好的导热性能。另外, 导热绝缘胶粘剂也是一个很好的例子, 相关学者利用L-1型填料填充的各种环氧改性, 自制出固化剂固化的胶黏剂。这种胶具有很多种功能, 导热性比较好, 能够作为导热脂, 同时也能够作成胶黏剂以及涂料等。

3 结语

对于导热的高分子材料的出现, 有效的扩大了高分子材料的应用范围, 同时也扩宽了传热材料的研究领域。

摘要：本文对导热高分子材料进行了研究, 并且对其中的应用情况进行了分析, 最后针对导热高分子材料的研究方向进行了展望。

关键词：导热高分子材料,导热机理,研究,应用,展望

参考文献

[1]吕生华, 梁国正.耐辐射高分子材料的研究和应用进展[J].工程塑料应用, 2011, (01) .

[2]孟令辉, 白永平, 黄玉东.高分子材料专业教学应加强环保意识的培养[J].化工高等教育, 2012, (01) .

导热的复合材料 篇9

关键词：全氟烷氧基共聚物,氮化铝,氮化硅,高导热,电绝缘

1973年杜邦公司研制新的氟塑料—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物(PFA)。全氟烷氧基共聚物(PFA)是由一PTFE主链和多个全氟烷氧基侧链组成,是一种性能优异的聚合物,其耐化学腐蚀、耐老化;具有良好的介电性能,耐热,耐候性良好,并且几乎不吸收水分。PFA不但具有PTFE的全部性能,而且可以用加工热塑性塑料的方法加工成型。由于聚四氟乙烯(PTFE)在380℃高温下呈凝胶状,以致无法在一般的热塑性塑料加工机器上加工,与聚四氟乙烯相比,PFA可以用挤塑、吹塑和注塑等的加工热塑性塑料方法,提高塑料换热器的制作效率[1]。

氮化铝(AlN)是原子晶体,属类金刚石氮化物,最高可稳定到2200℃。室温强度高,且强度随温度的升高下降较慢。导热性好,达到320W/mK,并且热膨胀系数小,是良好的耐热冲击材料。抗熔融金属侵蚀的能力强,是熔铸纯铁、铝或铝合金理想的坩埚材料。并且氮化铝机械性能良好,抗折能力强,氮化铝还是电绝缘体,介电性能良好,也很有希望用作电器元件[2]。

氮化硅(Si3N4)是一种超硬物质,其硬度达到9～9.5。本身具有润滑性,并且耐磨损,为原子晶体;高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击,在空气中加热到1000℃以上,急剧冷却再急剧加热,也不会碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性,人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。

本研究以全氟烷氧基乙烯基醚共聚物为基材,氮化铝作为填充材料,并用纳米氮化硅晶须复合增强,制备出高热导率、高强度、电绝缘、耐腐蚀的PFA复合材料[3,4]。

1 实验部分

1.1 主要原料

全氟烷氧基共聚物(PFA)粉末,PFA 950HPZ,杜邦公司;微米氮化铝(AlN)粉末,平均粒径≤5μm,秦皇岛一诺高新材料开发有限公司;纳米氮化铝(AlN)粉末,粒径为40～60nm,徐州宏武纳米材料有限公司;纳米淡化硅(Si3N4)晶须,平均粒径≤800nm,秦皇岛一诺高新材料开发有限公司。

1.2 主要设备及仪器

TPS 1500导热系数仪,瑞典Hot Disc公司;20t平板硫化机,东莞市正工机电设备科技有限公司;S-3700N扫描电子显微镜,日本日立;万能材料测试平台,深圳万测试验设备有限公司。

1.3 试样制备

复合材料的制备:把实验材料放入烘箱内,80℃下烘10h。将一定比例的微米氮化铝粉末、纳米氮化硅晶须和粉末PFA充分混合,为了尽量不让纳米材料发生团聚影响性能,需要在搅拌混合时外加超声波震荡,混合时间为45min。

导热试片的制备:将氮化铝粉末填充的改性PFA粉末通过用模具热压成型为40×40×5mm的导热试片,工艺条件:加工温度340℃,加工压力11MPa,保压时间10min。

1.4 性能测试与结构表征

热导率测试采用瑞士Hot Disc公司的TPS 1500导热系数仪进行测量;按照GB/T 1040,用万用材料测试平台进行测试拉伸性能;将复合材料试样在液氮中低温脆断,断面经表面喷金后,用SEM观察其断面并拍照。

2 结果与讨论

2.1微米级氮化铝粉末与PFA共混物形貌结构分析

不同氮化铝填充量的氮化硅/PFA共混物经过液氮低温脆断后,在扫描电镜下观察其微观结构。材料中的氮化铝颗粒以分散相的形式存在于PFA基材中,呈现出典型的“海-岛”结构。由图中看出,氮化铝粉末在PFA中均匀分布,可以看出含量为10%的试片中,分散相为氮化铝粉末,连续相为PFA,但是氮化铝粉末相距较远,局部的导热链也没有很好地建立起来。而当氮化铝含量为20%时,可以看到氮化铝粉末四周开始相互搭接,逐渐搭建起局部导热链。随着淡化铝含量逐渐提高至40%,氮化铝粉末和PFA两相间没有明显分界,形成较为均一的分散体系,局部的导热链开始相互搭接,逐步构成导热网络。

2.2 氮化铝粉末含量对复合材料导热性能的影响

从图2可以看出,氮化硅/PFA复合材料的热导率随着氮化铝含量的增加而增加,当氮化铝含量小于10%时,增加幅度并不大,而当氮化铝的含量超过30%时,复合材料的热导率随着氮化铝含量的提高而开始大幅度增加。

结合SEM图进行分析其原因,从氮化铝含量为10%的电镜图可看出,由于氮化铝含量少,氮化铝在PFA中的分布呈孤岛形式存在,并没有使PFA的粘接网络密度降低,彼此间没有很好地建立起导热链,所以热导率的增幅较小。从氮化铝含量达到30%时,PFA的粘结网络密度降低,氮化铝与氮化铝之间的搭接面积逐渐提高,彼此间能建立局部导热链,以致整体上逐步建立起导热网络,使复合材料的热导率大幅度提高。当氮化铝含量达到了40%时,复合材料的热导率为0.8512W/(mK),约是纯的PFA的3.5倍。

2.3 纳米氮化硅晶须对复合材料导热性能的影响

在氮化铝含量为30%和40%的混合物中,分别加入2%和5%的氮化硅晶须。其热导率如图3所示。从图中看出加了2%氮化硅晶须的试样的热导率比加了5%氮化硅晶须的试样高,其原因分析,氮化硅晶须的比表面积大,密度小,加入适当分量能提高复合材料的导热网络粘结密度。加入2%氮化硅晶须是有利于导热网络的搭建,纳米材料的协同效应使复合材料的热导率进一步提高。加入5%氮化硅晶须并没有使复合材料的热导率进一步提高,原因是纳米材料容易发生团聚现象,在PFA基材中无法分布均匀,使导热网络的整体粘结密度下降,在局部范围内氮化硅晶须团聚现象能使局部热导率提高,但从整体上对复合材料热导率的提高时不利的。

2.4 纳米氮化铝对复合材料导热性能的影响

在试样1#(含30%氮化铝+2%氮化铝)和试样2#(40%氮化铝+2%氮化铝)中加入2%的纳米氮化铝粉末,其热导率如表1所示。加入纳米氮化铝粉末后,复合材料的热导率略有增加,但是增幅有限。原因分析如下,由于纳米氮化铝的密度较大,宏观上看没有氮化硅晶须那样蓬松,而且纳米氮化铝粉末的加入量过少,对复合材料的导热网络搭建的贡献太小。纳米氮化铝粉末粒径分布范围为40～60nm,微米级的氮化铝粉末平均粒径为5μm,而氮化硅晶须平均粒径为800nm,由于填料间的粒径差别巨大,纳米氮化铝粉末无法有效地提高复合材料的导热网络的粘结密度,从而无法大幅度提高热导率。

2.5 复合材料的力学性能分析

复合材料的拉伸弹性模量、拉伸强度如表2所示。从表中可见,拉伸弹性模量随着填料的含量增加而逐渐增加,而加入纳米氮化硅晶须后,其拉伸弹性模量增加的幅度增大,材料能满足实际生产使用的刚性要求。这是由于氮化硅是一种结构陶瓷材料,它是一种超硬物质,其硬度达到9～9.5,能使复合材料的硬度大幅度地提高。

而复合材料的拉升强度随着填料的含量增加而逐渐减少,但是与纯的PFA试样相比较,其拉升强度下降幅度不大,而其拉伸弹性模量增加的较大。本次研究的复合材料主要是用在热交换设备上,如图4所示,由于纯的PFA材料已能大大满足其使用要求,复合材料的拉伸强度虽然不是很高,但是也能满足实际应用的要求。

3 结论

(1)用微米级的氮化铝粉末填充PFA能明显提高复合材料的热导率,当氮化铝填充量达到40%时,其热导率达到0.8512W/(mK),是纯PFA的3.5倍;并且在并用2%氮化硅晶须时,其复合材料的热导率更是达到0.9274W/(mK),是原来的基材的4倍。这种复合材料不仅有较高的热导率,并且拥有小介电常数和高电阻率,良好的电绝缘性。

(2)在复合材料中加入粒径较小的纳米氮化铝粉末后,复合材料的热导率并没有大幅度的提高,纳米材料的协同作用并没有充分体现。这是由于与其他填料相比较,纳米氮化铝粉末粒径过小,填充量也并不大,对复合材料的导热网络的粘结密度影响并不大,导致使材料热导率的提高极为有限。

(3)在氮化铝填充PFA的复合材料里,随着氮化铝含量的增加,复合材料的拉伸弹性模量呈逐渐增加的趋势,在加入纳米氮化硅晶须后,其拉伸弹性模量增加的幅度增大,材料能满足实际生产使用的刚性要求。而复合材料的拉伸强度呈逐渐下降的趋势,40%氮化铝含量的试样的拉伸强度为9.85MPa,与纯的PFA相比较,拉伸强度下降21.8%,但还是能在PFA的适用场合中长期使用。

参考文献

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导热的复合材料 篇10

1 实验方法与试件

1.1 实验方法

导热系数是指传递热量的物质厚度为1m、面积为1m2, 两壁面的温差为1℃时, 每小时 (h) 通过的传热量, 单位是W/ (m·K) 。根据导热系数的实验测量原理[2], 其测量方法分为稳态法和非稳态法。石膏基保温材料的导热系数在0.02W/ (m·K) ~0.2W/ (m·K) 之间, 因此采用稳态测试法[3]。稳态法的测试是根据平板导热微分方程, 在第二类边界条件下加热问题的解来确定导热系数[4]。依据不稳定导热过程中, 温度场变化的准稳定阶段, 即被测试材料中任意两点的温度差不随时间变化来测试。采集到温度差, 根据平板导热微分方程, 在第二类边界条件无限大平板的导热问题来确定材料的导热系数。在准稳态时, 试件加热面与中心面的温度差为:

根据式 (1) 求出导热系数:

其中:cq为沿x方向从端面向平板加热的恒定热流密度 (W/m2) ;

δ为平板厚度 (m) 。

稳态测试法的根本就在于测试加热面与中心面的温度。传统稳态测试法的温度是采用电势差和温度的换算来测得两个面的温度, 需要人工读取电势差, 而且两者之间的换算存在误差。本实验在试件和试件的接触面、试件与平面加热器的接触面以及试件与绝热层的接触面内各放置一个铜-康铜测温热电偶[5], 将三个热电偶编号并按顺序号直接连接到JTRG-Ⅱ型建筑热工温度与热流自动测试系统。热电偶从第5路开始依次接入, 显示温度信号。开机后, 自动测试系统分别记录每个热电偶的瞬时温度值, 并每隔1min自动存储一次当前的各路信号数据。实验装置如图1所示。

1.2 实验试件

石膏基外墙内保温材料是以建筑石膏为主要原料, 掺入适量外加剂制成的抹灰材料。本实验采用编号分别为170、180和250三种不同外加剂配比的试件, 试件配合比参见表1, 三种试件的干密度分别为:295kg/m3、292kg/m3和350kg/m3。供导热系数测试的试件共有9组, 三种不同编号的试件分别选取厚度为10mm、20mm、30mm各4块作为一组测试, 试件规格为 (L×W) :300mm×300mm, 自然养护 (见表1) 。

2 实验数据分析

实验结果如图2、图3、图4所示, 图中横轴为连续检测时间。下面分别讨论温度变化情况和导热系数的影响因素 (见图2、3、4) 。

2.1 温度变化情况

实验从开机时开始每隔一分钟记录一次-数据, 因为开始实验后墙体有一个蓄热的过程, 温度变化比较快, 因此温度差-时间曲线在开始阶段很陡, 斜率很大, 如图2、图3、图4所示, 大约在10~20分钟的时候, 温度差-时间曲线基本与时间轴平行, 蓄热散热逐步达到平衡, 也就达到了传热的稳定阶段。在实验过程中, 冷热两端的温度差随着加热的进行逐渐增大, 但因为试件的厚度差异, 各试件达到稳定阶段时的温度差值相差很大, 如图2所示。厚度为10mm的试件在达到稳定时的两端温度差在12℃~14℃之间, 而20mm和30mm厚的试件两端温度差分别为18℃~20℃和22℃~24℃。从而说明, 厚度越大的试件其加热面与中心面的温度差越大, 从图3、图4也能得到相同的结论。

2.2 导热系数的影响因素

以编号170、10mm厚的试件为例计算该试件的导热系数:加热器的电阻R=99.77Ω, 通过电流I=0.29A, 因此加热器的热流量为:

带入计算公式 (2) 得:

同理计算出各试件的导热系数, 结果见表2所示。

通过计算可以得出, 编号180试件的导热系数最小。在厚度相同的情况下, 主要原因在于编号180试件的干密度最小。结合表1、表2可以看出, 编号170和250的试件配比只是引气剂的量不一样, 两者的干密度相差很大, 因而厚度相同的试件导热系数相差也很大。编号170试件的干密度小, 试件内部的孔隙大而多, 孔隙充满空气, 而空气的导热系数为0.023W/ (m·K) 属于不良导体, 使热量传递过程减慢。因此, 在其他条件相同的情况下, 试件的干密度越小其导热系数也越小。但在对比这两组试件的导热系数时发现, 编号170厚度为20mm试件的导热系数与编号250厚度为10mm试件的导热系数相差不大, 编号170厚度30mm试件与编号250厚度20mm试件的导热系数相差很小。对于建筑节能设计, 需要的只是保温材料的导热系数值在一定的范围。如所需保温材料的导热系数为0.04W/ (m·K) ~0.05W/ (m·K) , 选择20mm厚的170号试件与10mm厚的250号试件都可以满足。但是, 选用的保温材料厚度越小, 所用材料越少, 在达到相同的节能效果时其经济效益越好。

从表2可以看出, 试件的厚度越大, 其导热系数增大;为了进一步分析厚度对导热系数的影响, 采用最小二乘法, 对以上实验数据进行2次多项式拟合[6], 取置信度为99%, 得到石膏基保温材料试件的导热系数λ与试件厚度δ的回归方程为:

回归后的相关系数R2=1, 标准误差为±0.0002, 说明2阶多项式模型回归精确度非常理想。

上面分析材料的导热系数仅仅是从传热达到稳定阶段来说明, 那么对于达到稳定之前的温度变化也能从侧面反映材料的传热过程。从图2可以看出, 试件两面的温度差随着加热的进行逐渐增大, 但在增大到一定时间后就不再增加, 从图上表示出趋向平行于水平轴, 这就表示传热达到稳定阶段。下面来分析试件达到稳定的时间。在第二类边界条件下, 无限大平板的导热微分方程为:

式 (4) 中:τ为时间 (s) ;λ为平板的导热系数 (w/m·℃) ;a为平板的导温系数 (m2/s) ;0F-δaτ2, 傅立叶准则;t0为初始温度 (℃) ;cq为沿x方向从端面向平板加热的恒定热流密度 (w/m2) 。由分析解中反映时间影响的部分[exp (-µn2F0) ]可见, 无穷级数第一项以后的各项会随着0F数的增加而迅速衰减。通过数值计算, 当0F数大于0.2以后, 略去无穷级数中第二项及以后各项所得的计算结果与按完整计算结果的偏差小于1%, 即这时传热达到稳定阶段。根据原始数据计算当0F≥0.2时的时间, 计算结果见表3。从表3可以看出, 厚度为10mm的试件达到稳定的时间要比厚度为20mm的试件达到稳定的时间要早, 即厚度越大, 越难达到稳定。说明保温材料的厚度增大到一定值热扰动就越深入地传播到物体内部, 因而物体内各点的温度越接近周围介质的温度。由此来看, 保温材料越厚, 材料内部的温度越接近室内温度, 对有效的节能保温有一定的负面影响 (见表3) 。

3 结语

通过对三种石膏基外墙内保温材料导热系数的测定得到以下结论。

(1) 采用稳态法与JTRG-Ⅱ型建筑热工温度与热流自动测试系统检测石膏基保温材料试件的导热系数, 较传统稳态法可以避免人工操作的误差, 使测试数据更为准确。通过测试与计算, 被测保温材料的导热系数在0.033W/ (m·K) ~0.084W/ (m·K) 之间。

(2) 经理论分析可以看出, 对于同一种保温材料, 厚度越大, 传热过程越难达到稳定, 保温材料的导热系数也越大。而对于相同厚度不同配合比的保温材料, 其导热系数的主要影响因素是材料的干密度。保温材料的干密度愈大, 其导热系数越大。

摘要：本文对石膏基外墙内保温材料的导热系数进行了实验研究, 为保温墙体的节能设计提供可靠的技术依据;此外, 还对保温材料的不同配比、不同厚度及不同密度对导热系数的影响进行了分析。

关键词：石膏,导热系数,建筑节能

参考文献

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导热的复合材料 篇11

【关键词】施工组织；工艺技术方案及技术指标；要求；电气系统；安全措施；基础建设

【Abstract】According to the general requirements of the development of modern road Bureau， oil depots and design using the current domestic first-class technology and oil heating bitumen local heating new technology， including installation One sets of 1 million kcal coal-fired furnace， etc.， through the operation of a construction season， the two sides acceptance of the person concerned and the State Bureau of technical Supervision inspection equipment package meet and exceed the original technical requirements， including production capacity， energy saving， environmental protection， more than the original technical requirements， to achieve high-quality， high efficiency， energy saving， environmental protection purposes； engineering SIPO conservation modernization provide a strong guarantee， and achieved good economic and social benefits.

【Key words】Construction organization；Technology solutions and technical indicators；Requirements；Electrical systems；Security measures；Infrastructure

1. 总体要求

沥青加热设备是公路机械化施工工序中的重要组成部分，也是关键的一环，其生产能力必须与其它环节相匹配，其生产沥青质量必须达到工程养护施工要求。因此，加热沥青设备的整个生产过程必须达到优质、高效、节能、环保的要求。

1.1工程规模。根据我局公路现代化总体发展要求，油库设计采用目前国内一流的导热油加热沥青技术和局部加热新工艺，拟新建一处占地面积50亩，总储存量为2400吨的大型沥青储备库。包括安装壹台套100万大卡燃煤加热炉，3个800吨沥青钢制保温储存罐，3个15吨高温罐，1个局部加热器及工艺管道、设备、电气、仪表等项目。形成目前整体储存能力2400吨，年周转能力8000吨，班产160℃高温沥青160吨的生产规模，以使沥青储备能力、生产能力、技术水平能够适应我局公路现代化建设的需要。

1.2设计要求。根据我局公路现代化建设的需要及沥青油库的地理情况，按照《有机热载体安全监安规程》，本设计应具有以下特点：

（1）在工艺上，卸油采用高位卸油形式，发油采用强制发油形式，力求工程布局上紧凑合理，工艺上操作使用经济方便、安全、可靠。

（2）采用整体加热与局部加热两种加热形式，这样既可满足大批量生产，又可满足小批量或间断生产。整体加热方式采用分层加热，分两层，每层三组。两种加热方式都应是目前国内最先进的加热方式。

（3）在设备上，沥青泵及沥青保温阀门应选用新型法兰联接式，杜绝沥青渗漏。加热炉选用烟尘排放浓度≤200mg/L，并且正式通过国家达标验收的名牌产品。

（4）电气控制。采用中央自动监控，所有储存罐，局部加热器的沥青温度连续显示，并设上、下限位统一报警。加热炉采用智能化控制，具有人脑的逻辑判断功能，使温度控制更加准确与方便。

（5）总之，本设计既应满足大批量发油，又要保证小批量供应高温沥青，既要减少费用，节约能源，又要提高发油速度，达到低耗、高效，操作方便的目的，使工艺技术达到国内一流。

2. 施工组织

2.1组织机构。由施工方成立项目经理部，施工方公司副总经理任项目经理，高级工程师任监理工程师，下设技术组、质检组、供应组、设备电气维修组、施工一队、施工二队和电气管道安装队。业主方派驻现场监理工程师一名。

2.2施工阶段划分。在施工程序网络计划的指导下，根据总工程量要求，在施工时间紧、任务重的情况下，把整个工程分为三个阶段。第一阶段主要任务是：三个800m3沥青贮存罐，三个15T沥青加热高温罐，一个局部加热器。第二阶段主要任务是：工艺管道及加热炉的安装。第三阶段主要任务是：电气安装及设备调试。

2.3主体工程施工方案。三个800 m3沥青储存罐，由两个施工队分别承担，采用倒装法施工。加热盘管采用模具粗加工，而后在组装焊接成型。局部加热器，先组焊排管，待保压、试车后，再焊罩壳，以防渗、漏现象。

2.4工程质量保证措施。为以保证施工质量，建立了三大质量保证体系：技术质量保证体系、质量检验体系、缺陷返修及责任期内维护网络计划体系。具体措施如下：

（1）原材料、设备、外购件订购严格把关，认真执行抽样化验及质量检查制度。各种原材料、设备、外购件必需有合格证，不合格的原材料、半成品、外购件等不准进入施工现场。

（2）严把计量关，确保设备仪表的数量、容器成形尺寸、混凝土、砂浆的配比等符合设计及施工要求。

（3）做好技术指导，技术组驻工地服务，保证施工顺利进行。

（4）各分项工程施工前做好技术交流，内容要结合实际情况，提出标准，明确责任，符合设计及规范要求。

（5）加强检查，各施工队、各班组严格执行自检、互检、交接班制度，发现问题及时处理，质检组要认真负责，每天公布检验结果，以利提高工程质量。

（6）各种原材料及试块、无损检测等要及时实验，努力做到报告准确万误。

（7）加强质量意识教育和学习，经常对施工人员进行培训，学习操作规程、施工验收规范、新技术、新工艺，使每个职工都具备创优质工程的思想品质和技术素质。

（8）严格按照国家施工验收规范、操作规程、质量检查评定标准组织施工，积极配合监理工程师的工作，杜绝违章及粗制烂造现象的发生。

（9）工地成立QC小组，由项目经理任组长，加强全面质量管理，确保工程施工操作按设计和规范要求进行，保证工程质量。

（10）为了调动项目部职工创优积极性，项目部公司决定拿出总价的3‰作为质量奖，按分项工程量奖励施工质量优良的职工。

2.5施工进度保证措施。

（1）严格施工程序，保证各工序之间的衔接，将问题解决在施工之前，以保证顺利施工。

（2）教育工人树立质量意识和精心操作，避免因质量问题返工而影响正常施工。

（3）QC小组的活动要落到实处，真正对施工质量起到全面管理的作用，发现问题及时解决，加快施工速度。

（4）在总的施工进度指导下，执行每月、每周形象进度，确保总工期。

（5）资金和材料的及时供应是保证工程的关键环节，项目经理部要保证拨付的资金全部投入本工程，一分也不挪做它用，保证资金和材料供应。

（6）采取科学的施工方法，土建基础以机械化施工为主，800m3沥青贮罐应用倒装法施工，以加快施工进度。

（7）合理的划分施工阶段，组织好各施工队之间的协调工作，保证各项工作顺利进行。

（8）土建基础、贮罐主体工程、设备管道制造安装交叉进行施工，以确保工期。

2.6施工安全保证措施。

（1）施工现场各工种必须熟知安全操作规范，不准违章操作，施工前对各工种进行安全技术交底。

（2）进入施工现场必须戴安全帽，严禁赤足、穿拖鞋、穿高跟鞋进入施工现场。

（3）脚手架设必须符合要求，架设完毕后要经安保组检验合格后才能使用。

（4）各种电器、设备专人管理，其他人员不得乱动。

（5）施工用具不得乱放，电动工具要有接地及必须的防护措施。

（6）保持施工现场的畅通，工棚内严禁烟火，要采取有效的防火措施。

（7）刮大风时不得进行吊装，雨后要检查各种设施是否安全。

（8）施工现场安全宣传标志必须齐全，醒目。

2.7节约材料，文明施工。

（1）做好技术指导工作，下料尽力准确，避免浪费。

（2）严把质量关，减少返工和重复工作，以节约材料。

（3）提高设备工装利用率，节约辅助材料。

（4）材料、工具分类存放，避免丢失和浪费。

（5）坚持机械润滑制度，加强维修，减轻噪音危害。

（6）施工现场每天打扫清洁，垃圾及时处理。

（7）教育工人自觉遵纪守法，做到文明施工，优质服务。

3. 工艺技术方案及技术指标

3.1工艺流程。导热油加热沥青装置具有储存、加热、接收、发油等功能。

（1）接收：储存罐设计为地上罐，罐的一侧设高位跑道，利用这一高位差，沥青自流到储存罐内。

（2）储存：3个保温沥青储存罐是沥青储存能力的主体，用沥青泵可将其中任何一个罐内的沥青输送到另一个储存罐内。

（3）发油。发油采用强制发油。强制发油就是用沥青泵强制从储存罐或局部加热器内抽取沥青向外发油。

（4）加热系统采用导热油作介质，由导热油主管道出来的高温导热油（320℃左右），通过高温导热油阀门分别控制进入储存罐加热器盘管、局部加热器或沥青伴热管道，散热后，温度降低后，回到主管道，经循环泵增压进入加热炉，重新获得热能。

3.2设计参数。

（1）沥青年周转能力：8000T/Y。

（2）沥青贮存能力：2400T。

（3）高温沥青生产能力：班产160℃高温沥青160T，匹配100万大卡燃煤式加热炉。

（4）装机容量：140KW。

3.3主要技术指标。

（1）800吨保温储存罐升温时间≤45小时（常温到100℃，匹配100×104Kcal/h燃煤式加热炉）。

（2）局部加热器升温时间≤1.5小时（60℃至160℃）。

（3）单位耗煤量≤35Kg。

（4）单位耗电量≤12度/小时。

（5）储存罐降温：10℃/24h △t<70℃

4. 设备有关要求

4.1拱顶全保温储存罐拱顶全保温储存罐，考虑到工艺要求，设计为地上罐，高位卸油车道高程为7.5米。800吨储存罐，直径12000mm，高8200mm+1400mm。罐体采用Q235优质钢板制作，底板厚度为8mm，第一、二圈壁板厚度为6mm，其余壁板及拱顶板厚为4mm。罐体设有人孔、光孔、呼吸孔、液面计、沥青进出口、导热油进出口等。罐内加热盘管，采用20#优质无缝钢管，散热面积120-140m2。罐体保温采用80mm厚优质岩锦板，保温护层壁面采用δ0.5海蓝色彩塑瓦棱钢板，其结构既能适应热胀冷缩的工作环境，又漂亮美观，保温护层顶面采用双层Q235优质钢板，厚4mm。

4.2局部加热器。

（1）卧式局部加热器呈拱形，外形尺寸为：长6.2m，宽1.3，高1.4m，容量10.5m3，加热面积130m2。材料均采用Q235优质钢板，封头厚度为10mm，罩板厚度为6mm，并设有加强结构。按照GB15O-89《钢制压力容器》、HGJ18-89《钢制化工容器制造技术条件》等有关标准进行制作，确保局部加热器在使用过程中不产生任何挠度变形。

（2）局部加热器内加热盘管，均采用20#优质无缝钢管，呈三头螺旋型排列，以增大导热油流通截面积，减少流动阻力；提高导导热效率。

4.3高温罐。15T高温罐为卧式，高温罐壁厚8mm，长轴3400mm，短轴2400mm，长10000mm（16.02m3），白铁皮保护。

4.4加热炉。热载体加热炉采用QXM-100型，其系统包括：加热炉本体、炉座、出渣机、调整器、鼓风机、引风机、除尘器、高位槽、低位槽和电气电器仪表等。

5. 电气系统

5.1概述。本设计电气系统包括：加热炉控制部分，沥青泵控制部分，导热油油温、沥青油温监测及显示，生产场地Q-2级防爆场所。

5.2功能。本设计电气系统配置一个电气柜，可以控制加热炉及加热泵的工作，能够监测显示导热油油温、沥青油温及高位槽的油位，并设有上、下限位报警装置。同时，可根据设定的导热油上、下限油温，可自动控制炉膛火焰，从而控制导热油油温和沥青油温。

5.3电缆敷设方法。电缆沿电缆沟敷设，沟内排水通畅。罐顶电缆采用镀锌蛇皮管敷设。贮存罐内电缆采用聚四氟带包扎，能够承载250℃高温。

5.4防雷接地。在罐区设防雷地网、接地电阻≤10欧，所有正常不带电的电气设备都设接地保护，接地电阻≤10欧。

6. 工程安装技术要求

6.1设备安装。沥青储存设备施工完毕后，须进行沉降实验，沉降实验稳定后，方可进行管道安装。局部加热器调整好位置后，在与大罐底板连接，防止局部加热器漂移、拉裂连接管道。加热炉调速器、加油循环泵及沥青泵地基基础，都设有预留孔，待安装调整好后，方可移动固定。

6.2管道安装要求。

（1）物料管线、阀门等均按工艺流程图安装。

（2）物料管线安装，均以物料流向2‰的坡度，汇总管线坡度一般不应小l‰，沥青管道内沥青在卸完后应能流尽。

6.3试压和试漏。整个设备及管道的试压或试漏，必须在所有设备和管道安装完毕；并检查无误后，按《工业管道施工及验收规范》（GBJ235-82）、《现场设备、管道焊接工程施工及验收规范》（GBJ236-82 ）中有关规定进行，整个管道系统采用煤油试压、试漏，试验压力为0.8MPa，保压24小时。

7. 安全措施及环境保护

7.1安全措施。导热油是一种芳香环烃化合物，人体接触或吸入它的蒸汽时会产生一定的不良影响；同时如遇到明火，也会有着火的危险，因此必须采取有效措施，防止不正常泄漏、污染环境、造成危害及危险。为防止导热油在系统中不正常泄漏，在设计中应采取以下措施：

（1）导热油循环管道及加热器设计压力提高到1.0MPa。

（2）导热油控制阀门采用Z41-16C不锈钢芯的铸钢阀门，阀杆密封填料为石墨密封圈。

（3）导热油主管道及沥青传热管道都设有伸缩器，能自由伸缩，防止冷热缩胀拉裂管道焊缝。

（4）管道联接采用焊接结构；尽量减少法兰联接，减少渗漏点。

（5）与阀门平面法兰联接密封面，均采用不锈钢石墨垫。

（6）电气按Q-2级设计，设备应设有良好的接地。

7.2环境保护。该罐区工程不产生噪音、电磁辐射及污染环境的排入物。烟尘排泄应达到Ⅱ级环保标准。

8. 土建基础建设

8.1概述。本范围包括拱顶保温罐、架、加热炉等设备基础。

8.2设计的基本参数。

（1）持力土层的地耐力为87KPa。

（2）基本风压：50KPa。

（3）冰冻深度线为：35cm。

（4）地震裂度：7级。

（5）地下水位线：3M。

9. 总之

导热的复合材料 篇12

1 传热的方式与保温材料的种类

传热 (热传递) 是一种物理现象, 是热能从高温向低温部分转移的能量传输过程, 由热传导、热对流、热辐射3 种方式以及它们共同作用引起。热传导是由于温度差引起的物体依靠固体分子等微观粒子运动产生的能量传输过程;热对流是由于流体内各部分相对位移引起的能量传输过程;热辐射是由于物体温度使其表面发射电磁波的能量传输过程。

按隔热原理来分, 保温材料可分为多孔材料、热反射材料、真空材料等种类[3]。不同隔热原理的保温材料占主导作用的传热方式各不相同。

1.1 多孔材料

多孔材料是固相和孔隙分散良好的多相材料, 主要是纤维状聚集组织材料和多孔结构材料, 如纤维材料、泡沫材料等[3]。多孔材料的导热系数主要由固体传导和气体对流两部分组成, 即

λ = λ固体传导+ λ气体对流. (1)

多孔材料一般以空气为热阻介质, 因为在封闭状态下空气的导热系数为0.023 W/ (m·K) , 所以理论上任何多孔材料的导热系数都不会低于该值。

1) 纤维材料是以天然矿物质等为主要原料, 添加热稳定性能好的化工添加剂, 喷涂树脂药液后进行柔化处理, 再经过黏接剂热固化压实而成的纤维网状材料。纤维材料主要包括玻璃纤维、复合硅酸盐等。

2) 泡沫材料是以合成树脂为基础, 通过物理方法或化学方法填充大量气泡, 使其内部具有无数孔隙的保温产品。泡沫材料主要有聚丙烯泡沫材料、聚氨酯泡沫材料、橡塑泡沫材料等。

1.2 热反射材料

热反射材料表面具有很大的反射系数, 能将热量反射出去, 如铝箔能靠热反射减少辐射传热[3]。

1.3 真空材料

3 种传热方式中, 热对流在空气中传热最重要。真空材料就是利用材料的内部真空阻隔气体热对流, 产生隔热效果, 如真空隔热板等。真空隔热板与其他传统保温材料有明显的不同, 从严格意义上而言, 它已不只是保温材料, 而是一个微型的真空保温系统[3]。

2 影响多孔材料导热系数的因素

影响多孔材料导热系数的因素分为两类:内在因素和外在因素。内在因素取决于材料成分及其内部结构;外在因素取决于材料的外部使用环境等。

2.1 影响多孔材料导热系数的内在因素

2.1.1 材料的成分及结构

材料的成分不同, 其微观粒子运动产生的能量传输过程就不同, 材料的导热系数也就不同;材料的成分相同, 结构不同, 材料的导热系数也就不同, 晶体结构的导热系数最大, 微晶体结构次之, 玻璃体结构最小。

2.1.2 材料的孔隙率及孔隙特征

材料的孔隙率是指材料中内部孔隙的总体积与材料总体积之比[3]。对于孔隙率大的材料, 孔隙中的气体热对流对导热系数的影响起主要作用, 晶态结构和玻璃态结构的固体部分对导热系数的影响差异不大。孔隙率越大, 孔隙对传热的影响越大, 材料成分及结构对传热的影响越小。同一成分的材料在孔隙率相同的条件下, 孔隙的大小不同、特征状态不同, 孔隙部分对传热所起的作用大小就不同。孔隙尺寸越大, 导热系数越大。连通型孔隙材料 (开孔材料) 比封闭型孔隙材料 (闭孔材料) 的导热系数更大。

2.1.3 材料的表观密度

材料的表观密度是指在自然状态下单位体积的干质量, 它与孔隙率成反比。保温材料要想具有良好的保温性能, 就必须具有较小的表观密度。表观密度小到一定程度后, 导热系数不仅不会降低, 反而会增大。这是由于过大的孔隙率不仅使孔隙数量增多, 而且使孔隙尺寸变大, 结果导致孔壁温差变大, 热辐射变大, 孔隙内的热对流也变大。

2.1.4 材料的吸水性和吸湿性

材料的吸水性是指材料在水中吸收水分的性质;材料的吸湿性是指材料在环境大气中吸收水蒸气的性质[3]。不同材料或不同内部构造的同种材料, 其吸水性和吸湿性会有很大差别。开孔材料的吸水性和吸湿性都比闭孔材料的更好, 容易吸水或吸湿。材料受潮后, 孔隙中水分子的热对流在传热中起主要作用。因为常温下水的导热系数是空气的20多倍, 所以受潮后的材料导热系数明显变大。

2.1.5 材料的亲水性或憎水性

材料的亲水性与憎水性为互补概念。亲水性是指材料在空气中与水接触时能被水润湿的性质, 憎水性是指材料在空气中与水接触时不能被水润湿的性质, 其中润湿是指水被材料表面吸附的过程。是否能被水润湿是材料在空气中与水接触时的首要问题。当材料分子与水分子之间相互作用的内聚力大于水分子之间的内聚力时, 水分子能很快在材料表面铺散开来。此时在材料、水和空气的交界处, 沿水滴表面的切线与水和材料接触面所成的夹角称为润湿角。当润湿角小于等于90°时, 材料呈现亲水性;当润湿角大于90°时, 材料呈现憎水性。润湿角越小, 材料的亲水性越好, 导热系数越大;润湿角越大, 材料的憎水性越好, 导热系数越小。在GB/T 10299—1988 保温材料憎水性试验方法中, 憎水性以经过规定方式、一定流量的水流喷淋后, 试样中未透水部分的体积分数来表示[4]。

2.1.6 材料的填充气体

在多孔材料中, 大部分热量是由孔隙中气体热对流传输的。由于不同气体的导热性能不同, 因此多孔材料的导热系数在很大程度上取决于填充气体的种类。

2.2 影响多孔材料导热系数的外在因素

1) 环境温度。随着环境温度升高, 材料固体分子的热传导运动增强, 同时材料孔隙中气体的热对流运动也增强, 导致材料导热系数逐渐增大。

2) 环境湿度。随着环境湿度升高, 材料含湿率逐渐变大, 孔隙中水蒸气的扩散和水分子的热对流运动在传热中起主要作用, 导致材料导热系数变大。因为开孔材料容易吸湿, 所以随着环境湿度升高, 开孔材料导热系数明显变大。

3) 热流方向。在各个方向上构造不同且有关性质随方向改变的材料称为各向异性材料, 反之称为各向同性材料。

各向异性纤维材料的导热系数与热流方向有关。从排列状态看, 纤维材料分为热流方向与纤维方向平行和垂直2 种情况。当热流方向平行于纤维方向时, 热流受到的阻力较小, 材料的导热性能更好, 导热系数更大;而当热流方向垂直于纤维方向时, 热流受到的阻力较大, 材料的隔热性能更好, 导热系数更小。

由于泡沫材料在各个方向上构造相同, 是各向同性材料, 因此热流方向对泡沫材料导热系数影响不大[5]。

3 机车设计中保温材料的选用原则

3.1 保温性能

保温产品的热阻或传热系数的数值直接反映其保温性能[3]。单层结构热阻和传热系数计算公式为

其中:R为单层结构热阻, Rn为多层结构热阻, (m2·K) /W;K为传热系数, W/ (m2·K) ;δ 为保温产品厚度, δn为各层保温产品厚度, m;λ 为材料导热系数, λn为各层材料导热系数, W/ (m·K) 。

多层结构热阻和传热系数计算公式为

其中:Rn为多层结构热阻, (m2·K) /W;δn为各层保温产品厚度, m;λn为各层材料导热系数, W/ (m2·K) 。

根据式 (2) ~式 (5) 可以确定, 保温产品的热阻或传热系数由其材料的厚度和导热系数决定, 材料导热系数越小, 保温产品厚度越大, 保温性能越好。

在机车设计中的隔热结构及厚度确定的前提下, 只要选用导热系数相近的保温材料, 保温性能就不会发生质的变化。无论是采用单层结构还是多层复合结构, 都只能影响其他性能。

3.2 阻燃性能

物质具有的或材料经处理后具有的明显推迟火焰蔓延的性质称为阻燃性能。目前国内外轨道交通行业对非金属材料阻燃性能的标准不同, 对机车使用保温材料阻燃性能等级的分类和试验方法也不同。TB/T 3138—2006 机车车辆阻燃材料技术条件附录A中的45°角燃烧试验方法及判定, 将阻燃材料分为难燃级、极难燃级、不燃级, 该标准要求机车上选用的保温材料阻燃性能至少能够达到难燃级要求[6]。

DIN 5510—2—2009 材料和结构部件的燃烧特性和燃烧附带影响分类、要求和试验方法将材料分为5 个级别, 分别为S1 级 (一般适用于质量m≤50 g的产品) 、S2 级 (不易燃) 、S3 级 (难燃) 、S4级 (极难燃) 和S5 级 (不燃) 。根据机车防火等级及产品具体使用部位, 要求机车窗户底边下部区域选用的保温材料至少达到S3 级, 窗户底边上部区域选用的保温材料至少达到S4 级[7]。

ГОСТ 12.1.044 物质与材料的火灾及爆炸危险指数范围与界定方法的分类试验方式不同, 并依据燃烧性将材料分为易燃、难燃和不燃[8]。НБЖТЦТ04—98—2010 电力机车:安全标准规定机车上使用的保温材料要达到难燃级或不燃级[9]。

3.3 隔音性能

通过某种材料把声音或噪音隔绝、隔断或分离等称为隔音。材料一侧的入射声能与另一侧的透射声能之差的分贝数称为隔音量, 机车行业隔音量单位一般用d B (A) 表示。隔音量可以用来衡量材料的隔音性能。

由于目前机车司机室内部噪声等效声级要求不得超过75 d B (A) , 因此保温材料的选用必须兼顾隔音性能。几乎所有的材料都具有隔音作用, 区别就是不同材料的隔音量大小不同而已。隔音量遵循质量定律原则, 即同一种材料的面密度越大, 隔音量就越大, 面密度与隔音量成正比关系, 隔音性能取决于材料的面密度。

3.4 耐候性能

产品受到气候考验, 如光照、冷热, 潮湿、风沙、盐雾等外界条件造成的综合影响, 会出现强度下降、性能减退等一系列现象。产品对这些气候考验的耐受能力叫耐候性能。目前规定的机车一般使用环境条件为:遮荫处温度范围-40~+40 ℃, 月平均最大相对湿度95% (该月平均最低温度不低于25 ℃) , 海拔不超过2 500 m, 并能适应风沙、雨雪、盐雾、粉尘的侵袭。保温材料必须具有使用温度范围广, 抵抗严寒、炎热、干燥、潮湿等恶劣环境, 防腐抗老化, 耐有机溶液和酸碱盐侵蚀等优异的耐侯性能。

3.5 尺寸形状恢复稳定性能

产品受多次连续撞击和挠曲变形后会很快恢复原始形状, 抗压性好而不产生永久形变, 产品的这种性能称为尺寸形状恢复稳定性能[5]。保温材料一般填充于机车司机室的钢梁内或钢梁之间, 为了保证具有良好的保温性能和隔音性能, 其填充后与钢结构之间应无任何间隙。当机车在运行过程中受到冲击发生振动或产生微小局部形变时, 保温材料应具有良好的尺寸形状恢复稳定性能, 可以在长时间使用后与钢结构之间无任何间隙。

3.6 安全环保性能

为确保机车产品的安全环保性能, 在机车的设计中对保温材料的选用应遵循下列原则:禁止选用技术合同中明确禁止的物质、我国国内及行业法律法规中明令禁止的物质、各国家或地区法律法规中明令禁止的物质、在生产安装使用过程中含有对人体健康和环境会产生重大影响的物质。

3.7 经济性能

在组织经营活动过程中, 获得一定数量和质量的产品或服务时耗费尽可能少的资源, 称为经济性能。保温材料要选用物理性能与经济性能兼顾的材料。由于保温性能是保温材料的首选性能, 阻燃性能是其必选性能, 因此选用保温材料时, 在满足同等阻燃性能和隔音性能的前提下, 可以依据保温材料价格和导热系数乘积最小的原则对材料进行选用, 这样不仅可以充分满足保温性能设计需求, 而且可以降低成本。

4 结束语

保温材料的选用不仅要遵循以上性能原则, 还要根据使用习惯、具体使用部位的需求、保温材料本身的使用条件及特点、保温材料的适用环境针对性地选用, 同时还要考虑是否安装方便、能否现场切割、是否影响切割操作者身体健康、是否污染环境、是否可回收再利用等具体因素。

在机车的设计中选用合适的保温材料, 不仅可显著降低生产能耗和成本, 产生较好的经济效益, 还可以显著改善环境。

参考文献

[1]杨世铭, 陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社, 2007.

[2]王巧云.国内绝热材料及绝热工程标准概况[J].新型材料建筑, 1998 (8) :11-13.

[3]国家技术监督局.GB/T 4132—1996绝热材料及相关术语[S].北京:中国标准出版社, 1997.

[4]国家技术监督局.GB/T 10299—1988保温材料憎水性试验方法[S].北京:中国标准出版社, 1988.

[5]国家质量技术监督局.GB/T 17369—1998建筑绝热材料的应用类型和基本要求[S].北京:中国标准出版社, 1998.

[6]国家铁道部.TB/T 3138—2006机车车辆阻燃材料技术条件[S].北京:中国铁道部出版社, 2007.

[7]德国标准委员会机车车辆标准委员会.DIN 5510—2—2009材料和结构部件的燃烧特性和燃烧附带影响分类、要求和试验方法[S/OL].[2011-04-12].http://wenku.baidu.com/view/18bc677102768e9951e738b6.html.

[8]白俄罗斯建筑与建设部.ГОСТ12.1.044物质与材料的火灾及爆炸危险指数范围与界定方法[S/OL].[2006-04-01].http://vsegost.com/Catalog/40/4085.shtml.