术测量碳纤维材料热扩散率的试验研究.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 第十届年会 编号：013054 应用红外热成像技术测量碳纤维材料 热扩散率的实验研究 贾志海1， 玄哲浩2，王经1 (1．上海交通大学动力与能源工程学院，上海200030； 2．吉林大学南岭技区热能工程系．长春t30025) (1．联系电话．02E-mail，jzhihaie263．net) 摘要：本文介绍了红外热成像技术的原理，并利用这项技术测量了五种碳纤维材抖的热扩散率，给出 了测试装置及测试方法，对实验数据进行了处理，分析了影响测量准确性的误差困素。实验结果表明， 利用红外热成像技术可以方便、直观地测量出这类利用传统方法不易测试材料的导热性能，从而为这 类材料导热性能的测量提供了一种比较新颖的方法。 关键词：红外热成像技术碳纤维材料热扩散率测量实验研究 0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，这种技术以颜色表示温度，然后通过判别图像的颜色分布来判别物 体的温度场分布。该技术自从问世以来，在石化、电力、电子、医学等许多领域得到了 广泛应用。本文把这项技术引入到材料的导热性能测试领域。由于传统的测定材料导热 性能的方法如单板法、双金属板法等，均是利用热电偶进行测温的，因此利用这些方法 在对一些厚度较薄且比较柔软的材料进行测试时，由于很难控制热电偶的准确位置，测 量的准确性较差，而红外热成像技术为材料导热性能的测量提供了一种新的方法。 1红外热成像技术评价的理论基础 1．1红外热成像技术的成像理论 常用的红外热成像系统的结构流程如图l所示。 图1红外热成像系统结构流程图 812 它首先利用光学系统将目标物体上各点发出的辐射能收集起来并汇集到探测器上， 然后经过一系列的光电信号转换．最后在显示器上生成伪彩色热图像，称这种利用目标 物体发出的红外辐射能形成伪彩色图像以进行温度测量的技术为红外熟成像技术。 红外热成像技术温度钡4试的依据是斯蒂芬一玻尔兹曼定律(Stefan—Boltzmanlaw)， 物体表面发出的红外辐射能∥为： 矿=∞， (w／m2) (1) 式中：s为物体表面的发射率；口为斯蒂芬一玻尔兹曼常数，其值为5．67X10“w／(mZ．K‘)： ，为物体的绝对温度，K；通过该定律知道，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。反过来，通过分析物 体的热图像也就可以确定物体的温度场分布，进而对物体的热特性进行分析。 1．2物体热扩散率测量的理论基础 对材料热扩散率的测量是基于导热过程的傅立叶定律。该定律的一般形式为： (2) ∥zdt：晏(^罢)+晏(A，要)+ia【tidt)+壶 口r 戚 蹦 掣 ay ∞ cz 对于一维非稳态、无内热源、各向同性的介质，方程(2)的简化为： 一dt：口堕 (3)‘3’ 一dr2口万 日为物体的热扩散率，a=Mpc)，m2／s。 根据测得的温度分布t随时间t而变化的函数关系．就可以利用相应的方程很容易 的计算热扩散率a。然后可以根据热容成确定导熟系数。 2试件的选取 本文采用的材料为碳纤维材料，这种材料是工程上常用的一种材料。主要在航空航 天上作为一种保温材料使用。试件的尺寸为lOOmm×20mm×1．5m(长×宽×厚)。材料 为一种黑色、柔软、蓬松的带状导体，在五种不同温度下1200℃、1400℃、1600℃、1800 ℃和2000℃进行处理．使其内部微观结构产生变化，进而得到五种导热性能不同的碳纤 维材料