热线法测试纺织纤维导热系数的方法研究

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随着纺织纤维被广泛应用于工业热防护、航空航天等领域,要求纤维及其复合材料能够在极端温度环境条件下保持性能稳定。在设计和生产热防护类纺织品时,如消防服、耐高低温工作服等,纤维的传热性能是需要考虑的重要问题之一,此类在特种纺织品的开发和应用过程中所出现的涉及纤维材料热传递的问题,引起国内外研究人员的极大关注。根据纺织纤维的特点、测试结果的准确度以及加工试样可行性及难易度,综合分析国内外导热系数的测试方法,热线法被认为具有测量时间短、测量精度高、适用范围广等优点,可作为研究测试纤维导热系数的基本方法。但将热线法具体应用于纤维导热系数测试尚未有系统化的研究,因此,本论文着重研究了热线法固体导热系数仪在纤维导热系数测试方面的两个基本问题:测试参数设定及其不确定度的表征,并提出了纤维试样制备的优化方法;探讨纤维试样内部的传热机理;运用数值模拟的方法建立不同排列方向与导热系数的关系模型;初步形成纺织纤维导热系数的测试方法。本论文所使用的热线法固体导热系数仪的实验参数(电压、采集时间)设定范围为实验电压为1~3 V、采集时间为0.2~0.5 s。纤维测试结果的重复性为2.2%、不确定度为0.94%,表明该测试仪器在测试纤维导热系数方面,具有较好的重复性及较高精度。本论文提出缠绕成片和胶粘成片两种试样的制备方法,实验发现:前者测试数据偏小,但更接近文献值,导致数据偏小的主要原因为试样中存在静止空气间隙;而后者偏大,受单层纤维引入载体和胶等物质的影响较大。纤维排列方向、试样厚度、纤维细度等试样参数对导热系数测试有一定的影响。纤维轴向与热线的排列方向从平行(排列角度为0°)到垂直(90°),导热系数逐渐增加,主要是纤维之间接触热阻和纤维导热性能的各向异性影响导热系数测试值。纤维纱越细,导热系数增加,主要原因是热线与纤维纱轴向垂直时,越细的纤维纱,其试样在与热线接触时的纤维纱根数就越多,热量传递更迅速。采用改变单根纤维缠绕圈数形成不同厚度的同种纤维试样,试样细观上的结构不匀使不同厚度的试样测试数据存在波动。本论文对纤维传热方式的分析发现,在常温常压下试样主要发生包括纤维导热和空气导热等传热方式,而在高温环境下发生水分蒸发凝结传热。通过建立不同排列方向与导热系数的关系模型,发现垂直时的传热能力较好于平行时,且模拟值与测试值的相对误差为±6%以内。在上述研究基础上初步形成热线法测量纺织纤维导热系数的测试方法,并提出了纤维试样制备的基本方法及测试步骤等内容,规范了测试参数以及说明了测试注意事项,对仪器测试结果进行了评价性分析。
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