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改进“T”形法测量单根碳纤维热导率

作　者: 顾明
导　师: 张兴
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 碳纤维热导率 “T”形法 3ω法接触热阻
分类号: TQ342.742
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

碳纤维材料具有低密度、耐高温、抗腐蚀和超高导热等特性,在航天航空、高温散热等领域有着广阔的应用前景。由于单根碳纤维直径只有10μm左右,直接测量其热导率比较困难。本文基于近年来被广泛用于测量丝状材料热物性的稳态“T”形法,结合理论分析、数值模拟和实验测量,开发了两种能够消除辐射散热和接触热阻影响的改进“T”形法,并准确测量了单根碳纤维的热导率。“T”形法利用热电特性已知的白金热线作为加热器和电阻温度计,通过比较搭接待测纤维前后热线平均温升的变化确定待测纤维热导率。为了研究热线与待测纤维搭接处接触热阻对测量的影响,在不改变接触点的前提下,通过连续改变待测纤维的长度,测量热线平均温升对待测纤维长度变化的响应,进而同时确定待测纤维热导率和搭接点处的接触热阻。建立了这种变长度“T”形法的数学模型,并搭建了测量系统。利用该方法首先测量了热导率已知的铂、铜细丝的表面发射率和搭接点的接触热阻,发射率结果与参考文献基本吻合,验证了改进“T”形法的可行性和合理性。在100~300K温度下,测量了中间相沥青基碳纤维的热导率。测量结果明显小于不考虑辐射和接触热阻影响的传统“T”形法测量结果,并且随着温度增加,两种方法测量结果的差别逐渐增大。变长度“T”形法对环境温度稳定性要求高,同时难以推广到纳米尺度。因此,本文结合“T”形法和3ω法的测量原理,进一步开发了3ω“T”形法。该方法通过调节热线中交流电的频率,改变搭接点振荡温度在待测纤维中的影响区域,进而得到待测纤维热物性和接触热阻。基于LabVIEW程序设计了用于测量热线两端3ω信号的虚拟锁相放大器。利用虚拟系统测量了铂丝和高分子聚合物的热导率,与参考文献吻合较好,验证了虚拟系统的可行性和准确性。在100~300K温度下,用新方法测量得到碳纤维吸热系数随温度增加而增大,接触热阻随温度增加而降低。并结合稳态“T”形法进一步确定了碳纤维热导率和热扩散率。热导率测量结果和变长度“T”形法的结果吻合较好。最后分析得到该方法的测量不确定度在5%以内,并且受到辐射换热和环境温度波动影响较小。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章引言  8-16
  1.1 研究背景与意义  8-9
  1.2 国内外研究发展现状  9-14
    1.2.1 碳纤维热导率的实验研究  9-10
    1.2.2 稳态“T”形法发展现状  10-12
    1.2.3 3ω法发展现状  12-14
  1.3 本文研究目的和主要内容  14-16
    1.3.1 研究目的  14
    1.3.2 主要内容  14-16
第2章稳态“T”形法测量碳纤维热导率  16-55
  2.1 热线电阻温度系数的确定  16-17
  2.2 考虑辐射影响的热线法测量原理  17-19
  2.3 稳态“T”形法测量原理  19-30
    2.3.1 数学模型及求解  20-24
    2.3.2 辐射误差分析  24-26
    2.3.3 热线均分误差分析  26-27
    2.3.4 灵敏度分析及热阻匹配理论研究  27-30
  2.4 实验系统及测量过程  30-35
    2.4.1 实验系统  30-31
    2.4.2 样品承放基座及样品制备方法  31-32
    2.4.3 样品尺寸测量  32-34
    2.4.4 测量过程  34-35
  2.5 测量结果和不确定度分析  35-54
    2.5.1 常温白金热线校正结果  35-37
    2.5.2 常温金属细丝表面发射率测量结果  37-41
    2.5.3 常温碳纤维热导率测量结果  41-44
    2.5.4 变温碳纤维热导率测量结果  44-47
    2.5.5 不确定度分析  47-54
  2.6 本章总结  54-55
第3章非稳态“T”形法测量碳纤维热物性  55-78
  3.1 3ω法介绍  55
  3.2 非稳态“T”形法测量纤维热物性原理  55-61
  3.3 实验系统及测量过程  61-65
    3.3.1 3ω虚拟实验平台  61-64
    3.3.2 测量过程  64-65
  3.4 测量结果和不确定度分析  65-76
    3.4.1 虚拟锁相放大器性能验证  66-68
    3.4.2 变温碳纤维热物性测量结果  68-72
    3.4.3 不确定度分析  72-76
  3.5 本章总结  76-78
第4章结论与展望  78-84
  4.1 本文研究结论和创新  78-80
  4.2 对未来工作的展望  80-84
参考文献  84-88
致谢  88-89
附录A  89-91
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  91

改进“T”形法测量单根碳纤维热导率

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