瞬態平面熱源法儀器測試不同溫度下 織物導熱系數的研究

董陳磊　斯點點　周小紅

摘 要：闡述了基于瞬態平面熱源法的Hot Disk熱常數分析儀的測試原理及測試方法，采用熱常數分析儀的薄膜模塊探頭對棉麻絲毛織物在不同溫度下的導熱系數進行了測量，驗證該儀器對織物導熱系數測量的可行性，研究環境溫度對織物導熱系數的影響。結果表明：熱常數分析儀的薄膜模塊探頭對織物導熱系數的測量是可行的，在-20～100 ℃溫度范圍內，棉麻絲毛織物的導熱系數隨溫度升高而增大;絲毛織物在20～100 ℃溫度范圍內導熱系數變化不大，但絲織物在低溫環境下降的幅度較為明顯。

關鍵詞：織物;導熱系數;瞬態平面熱源法;Hot Disk熱常數分析儀;溫度

中圖分類號：TS101.9

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）04-0084-05

Study on Heat Conductivity Coefficient of Fabric Test at Different Temperature with Transient Plane Heat Source Instrument

DONG Chenleia， SI Diandiana， ZHOU Xiaohongb

（a.College of Materials and Textiles; b.Key Laboratory of Advance Textile Materials and Manufacturing Technology， Ministry of Education， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：The test principle and method of Hot Disk thermal constant analyzer based on transient plane heat source method were described. The thermal conductivity of cotton， linen， silk and wool woven fabric at different temperatures was measured by thin film module probe of thermal constant analyzer to verify the feasibility of this instrument for measuring the thermal conductivity of the fabric and explore the influence of environment temperature on the thermal conductivity of the fabric. The results showed that it was feasible to measure the thermal conductivity of the fabric by the thin film module probe of the thermal constant analyzer. In the temperature range of -20～100 ℃， the thermal conductivity of cotton， linen， silk and wool fabric increased with the increase of temperature. The thermal conductivity of silk and wool fabric changed little in the temperature range of 20～100 ℃， while that of silk fabric decreased obviously in the low temperature environment.

Key words：fabric; thermal conductivity; transient plane heat source method; Hot Disk thermal constant analyzer; temperature

測試導熱系數的方法主要分為穩態法和瞬態法兩大類[1-2]。材料導熱系數最早采用的實驗測量方法是穩態法，較為常用的穩態法有熱板法、防護熱板法等，其主要特征是保持樣品溫度梯度不變，建立穩態傳熱模型，再由傅里葉定律得出被測樣品的導熱系數。穩態法一般適用于低導熱系數的材料，而高導熱材料傳熱速率較快，很難保持溫度場的持續穩定;穩態法建立溫度場所需時間較長，測試效率低，并且對測量系統的絕熱條件及樣品尺寸要求較為苛刻。為了克服這些缺點，瞬態法應運而生。在瞬態法中，試樣內的溫度分布隨著時間而變化，是一個非穩定的溫度場，記錄試樣溫度的變化速率，進而可以得到導熱系數。與穩態法相比，瞬態法測量在穩定熱源條件下，樣品溫度對時間的響應不需要達到熱平衡，測量時間短，測試熱阻等因素對測量精度影響小，這使得它溫度范圍和量程廣，精確度高。

近些年來，出現了很多瞬態測量方法，較為常見的有熱線法、瞬態平面熱源法等。熱線法[3-4]的測量原理是將一根金屬線作為測試系統熱源放置在初始溫度分布均勻的試樣內部，然后金屬線兩端通電，使其溫度升高，其溫升速率與材料的導熱性能有關。熱線法的優點在于它可以消除樣品邊界與環境熱對流的影響，比穩態法更可靠。而對于薄膜狀試樣，由于試樣厚度和傳感器厚度比較接近，測試過程中邊界熱損失較大，不適合采用此方法測量。楊雨舟等[5]采用熱線法TC3000型導熱系數測試儀，對玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維在不同排列方向時的導熱系數進行了測試，玻璃纖維排列角度為0～90°時的導熱系數值在0.1864～0.2966 W/m·K，與文獻[6]中所列出常溫下玻璃纖維導熱系數為0.04 W/m·K有一定差異。瞬態平面熱源法[7]由瑞典科學家Gustafsson在熱線法的基礎上提出的，其原理和熱線法基本相同，只是改進了傳感器的結構。通過將線熱源盤旋成雙螺旋結構，形成平面熱源，擴大了熱源與試樣的接觸面積，從而減少探頭與樣品之間的接觸熱阻。因此這種測試方法非常迅速和便利，同時也具備很高的精度。

本文探討基于瞬態平面熱源法的TPS2500S型Hot Disk熱常數分析儀（瑞典凱戈納斯有限公司）對織物導熱性能測試的可行性，并研究環境溫度對棉麻絲毛織物導熱性能的影響。

1 實驗原理及方法

1.1 實驗原理

瞬態平面熱源法的測量原理[8-9]是假定探頭被置于無限大試樣中，并以階躍式或脈沖式的電流通過探頭，使探頭金屬片溫度升高釋放熱量。同時探頭也作為傳感器，測量試樣測試點處探頭和試樣的溫升。溫升與時間的關系為：

ΔTave（τ）=P0λrπ3D（τ）=kD（τ）（1）

式中：ΔTave（τ）為探頭的平均溫升;P0為探頭功率總輸出;r為探頭半徑;λ為試樣的導熱系數;D（τ）為與探頭尺寸無關的時間函數。

τ=αtr=tθ（2）

式中：α為試樣的熱擴散系數;t為測試時間;θ為特征時間，θ=αr2。

令k=P0λrπ3（3）

實驗測試探頭和試樣溫升，并作D（τ）的擬合直線圖，得到斜率k，并由式（3）計算試樣的導熱系數λ。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗準備

TPS2500S型Hot Disk熱常數分析儀由樣品支架、測試探頭、主機和電腦組成。測試環境由BPH-060C高低溫試驗箱（上海一恒科技有限公司）控制，溫度設定為-20、-10、0、20、40、100 ℃。實驗準備如下。

a）熱常數分析儀主機至少需預熱60 min。將試樣固定在樣品支架上等待測試。

b）根據實驗試樣類型，在操作軟件中，選擇“熱阻”類型，即薄膜模塊（圖1）。本文采用7280薄膜探頭，半徑為14.67 mm，探頭金屬片外包裹聚酰亞胺。薄膜模塊實驗分為參照實驗和樣品實驗，參照實驗測試探頭外聚酰亞胺的導熱系數，樣品支架則置于高低溫箱內。將石英玻璃作為背景材料，薄膜探頭水平置于石英玻璃之間（參照實驗）或試樣之間（樣品實驗），確保試樣平整且與探頭接觸緊密。如圖2所示。

c）樣品支架外置隔離罩，防止環境氣流運動對測試結果的影響。試樣在預先設置并平衡的測試環境中需靜置一定時間，以保證測試過程中探頭與試樣的溫度升高只源于探頭輸出的熱量。實驗環境溫度0 ℃及以上時，試樣需靜置30 min。0 ℃以下時，試樣需靜置60 min，以避免試樣溫度與環境溫度存在差異而產生熱傳遞。

1.2.2 實驗測試

首先進行參照實驗，設置測量時間和加熱功率，然后進行樣品實驗。參照實驗可得到聚酰亞胺的導熱系數、背景材料的導熱系數、熱擴散系數及比熱容，其中聚酰亞胺的導熱系數是樣品實驗應輸入的參數，樣品實驗還應輸入試樣的厚度。輸入參數后進入主界面，待試樣達到靜置時間時，點擊開始按鈕進行測試。儀器在測試過程中，首先對溫度漂移進行監測40 s，然后加熱探頭使其升溫。溫度漂移是指環境溫度的變化，以檢測實驗是否在穩定的環境溫度下進行。測試結束后，主界面會顯示溫度漂移圖（圖3）與瞬態曲線圖（圖4）。

1.2.2.1 溫度漂移圖與瞬態曲線圖

圖3溫度漂移圖，圖4瞬態曲線圖，曲線顯示樣品表面溫度連續的升高，沒有間斷或跳躍，符合實驗要求。若檢測到溫度漂移出現明顯的上升或者下降趨勢，或者瞬態曲線圖出現有間斷，需重新實驗。

1.2.2.2 擬合直線圖與殘差圖

確認溫度漂移和瞬態曲線符合要求之后，通過軟件計算，得出擬合直線圖（圖5）與殘差圖（圖6），并輸出實驗結果。根據式（1），圖5擬合直線的斜率為k。

試樣在加熱測試時間內，主機程序采集200個數據點。圖6殘差圖。在理想的情況下應隨機分布在一條水平線附近。

a）殘差圖的初始部分波動大。這是由于起始數據點會受到來自探頭絕緣層和樣品界面的接觸熱阻的干擾，因此要去除這部分數據。

b）殘差波動大。如有明顯的正弦曲線，這通常是由樣品的溫度不穩定造成的，應延長平衡時間，待樣品溫度穩定后實驗。

c）殘差圖末端波動較大。這往往是加熱的熱波已經達到樣品的邊界，應去除這部分數據。

1.2.2.3 實驗數據

去除殘差波動較大的數據后，至少要保留100個數據。實驗重復5次，輸出結果如表1所示。溫度上升與加熱功率有關，為了達到較高的測試精度，總體溫度升高應合適，應避免溫升大而造成不必要的熱損失，一般要求總體溫度上升在2～5 K之間。總體比上特征時間在0.33～1之間，這樣得到的導熱系數或熱擴散系數是穩定的。總體比上特征時間指測量時間與特征時間的比值，合適的測量時間在特征時間的1/3 到整個特征時間之間。

2 不同環境溫度下測量4種典型織物 導熱系數的結果與分析

夏季要求穿著涼爽，織物要容易導熱，冬季要求穿著溫暖，織物導熱系數要小，保暖性好。在極端高溫工作環境下工作，著裝要求隔熱好，導熱系數低。因此，了解紡織面料在不同環境下的導熱系數對研發舒適性服裝面料，或者功能性工裝面料有一定的實用意義。孫麗萍等[10]采用平板法測試了玻璃纖維、丙綸、滌綸在10～50 ℃之間導熱系數的變化規律;丁立等[11]采用平板法測試了-81.8 ℃超低溫下的艙外航天服織物芳綸1313、鍍鋁Mylar層和鍍鋁聚酯膜等的導熱系數。王青利等[12]采用熱線法固體導熱系數儀分別測量了溫度區間為-43～39 ℃、自然狀態下和加壓狀態下北極熊毛纖維在垂直纖維軸向和任意方向上的導熱系數。

表2列出由7280薄膜探頭在-20～100 ℃的環境溫度下測得的棉、麻、絲、毛機織物實驗試樣的導熱系數。

2.1 薄膜探頭測量織物導熱系數

織物的導熱系數與織物的結構、密度、測試環境溫度以及空氣壓力等因素有關。文獻[13]中列出常溫下棉、麻、絲、毛纖維集合體的導熱系數分別為：0.071～0.073、0.053～0.062、0.050～0.055、0.052～0.055 W/（m·K），與表2所列出的實驗數據一致，即薄膜探頭對織物導熱系數的測量是適合的。

2.2 不同環境溫度對織物導熱系數的影響

圖7為棉、麻、絲、毛織物導熱系數與溫度關系圖。

由圖7可見導熱系數在測試溫度范圍內與溫度呈正相關。棉織物在-20 ℃環境下導熱系數為0.052 W/（m·K），0 ℃環境下導熱系數為0.061 W/（m·K），100 ℃環境下導熱系數為0.069 W/（m·K）。這一般解釋為纖維分子熱運動頻率升高。絲織物和毛織物在測試溫度20～100 ℃范圍內導熱系數變化不大，但當環境溫度低于20 ℃時，絲織物的導熱系數值下降幅度較為明顯，導熱系數最小，可見絲織物在低溫環境下具有較好的隔熱性。

3 結 論

a） Hot Disk熱常數分析儀薄膜探頭對織物導熱系數的測量是適合的。

b） 在-20～100 ℃的測試溫度范圍內，棉麻絲毛織物的導熱系數隨溫度升高而增大。

c） 在20～100 ℃的測試范圍內，絲毛織物導熱系數變化不大;在低溫條件下的絲織物導熱系數下降幅度較為明顯。

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