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1、玻璃钢蜂窝夹层结构板热导率研究18玻璃钢蜂窝夹层结构板热导率研究2006年3月玻璃钢蜂窝夹层结构板热导率研究周祝林,王亚熊,姚辉,钟天麟(上海玻璃钢研究所,上海200126)摘要:玻璃钢蜂窝夹层结构板除高比强度,比刚度的优点外,还具有低热导率的特点,是一种隔热保温材料,在航天,航空,建筑方面得到广泛应用.本文对蜂窝夹层结构板的热导率进行了理论上的研究,分别对传导,对流,辐射进行分析,最后得到可供设计使用的热导率计算公式及曲线.计算结果与试验值很符合.关键词:蜂窝;夹层结构;热导率;玻璃钢;传导;对流;辐射中图分类号:"I'Q327,1;TB383文献标识码:A文章编号:1003
2、—0999(2006)02-0018-.06●—1…1日lJ吾玻璃钢蜂窝夹层结构除高的比强度,比刚度外…,低热导率也是其优点之一.玻璃钢的热导率为(0.23～0.47)W/m-K.用玻璃钢制成的蜂窝夹层结构板,热导率更低,为(0.07—0.22)w/m?K.一般规定热导率低于0.23W/m?K的材料,称为绝热材料.隔热也是玻璃钢蜂窝夹层结构的特点之一.蜂窝夹层结构是孔状结构,内部有许多空气.干态空气的热导率是很低的,在20℃时为0.0257W/m?K.由此可见,蜂窝夹层结构板的热的热导率可以用一般测热导率的仪器进行测试.测试结果表明,热导率的变化范围较大.玻璃钢蜂窝夹层结构板的
3、热导率除与原材料性能,成型工艺有关外,还与蜂窝的几何尺寸参数,面板与蜂窝芯子的相对厚度有直接关系.本文主要研究蜂窝夹层结构板的热导率与几何尺寸参数的关系,所得出的热导率计算公式与曲线可供产品设计及性能研究时参考.2试验结果环氧玻璃钢蜂窝夹层结构的热导率测试结果列导率要比实心玻璃钢的热导率低.蜂窝夹层结构板于表1.试样尺寸为250~250mm.表1玻璃钢及玻璃钢蜂窝夹层结构板的热导率注:t.为蜂壁厚度;c为蜂格边长;h为蜂窝厚度.3理论研究由表1可见,蜂窝厚度h大,密度p小,热导率豆而大.这与一般均匀材料的情况相反.以下对蜂窝夹层结构板的热导率与尺寸参数的关系进行理论研究.针对蜂
4、窝夹层结构板中的空气,不同于泡沫塑料中的空气J,每只蜂孔内的空气直接与二面板接触.当—侧面板受热时,热量除通过面板蜂壁面板的路线传导外,还通过面板空气层面板的路线传导.前者与面板,蜂壁材料的热导率有关.为了尽可能利用传热学的基本原理,使问题容易得到解答,根据叠加原理,采用分解法.第一步,把蜂窝芯子当作均质材料,把蜂窝夹层结构板当作层板的传热问题.第二步,把蜂窝芯子的传热问题分解为蜂壁材料的导热,空气夹层的对流传热(包括空气的导热),蜂窝夹层结构的热辐射换热三部分.分别计算出3种情况的热导(或当量热导)率,再根据热传导的叠加原理计算出计及空气传热的蜂窝芯子的平均当量热导率.然后按
5、第一步,用三层板热导率的计算公式求出蜂窝夹层结构板的总热导率.如图1(a)所示的蜂窝夹层结构板(侧视收稿日期:2oo5—07一l8作者简介:周祝林(1938一),男,教授,从事复合材料性能及测试方法研究,产品设计和标准等.j2006年第2期玻璃钢/复合材料19图),把蜂窝芯子当作均质材料时,即变成如图1(b)所示的三层板.tf2.'一hc——,,,,,////////-f/////////I///(a)面板蜂窝尺寸(b)等效均质夹层结构图1夹层结构剖面图假设蜂窝芯子的平均当量热导率为,面板的热导率依次为A,A.则三层板的热导率:A=筹㈩当二块面板材料相同,并且厚度相等时,则为:
6、A:J(2)A'2一般情况下,fr<h,A<Ar,可略去分母中2tiX项,则简化为:A=A(3)关键是求出蜂窝芯子的平均当量热导率A.下文分别讨论上述3种传热过程的当量热导率.(1)通过蜂壁材料导热.在这种传导过程中,假设:①夹层中除蜂壁材料外的空间为绝热材料,A=0,热量只通过蜂壁材料传导.②传导路线相同,均取蜂窝厚度h.则通过蜂壁材料的热量为:Q1=Ac1f/h(4)式中A为通过蜂壁材料导热的折算热导率:d=Fl/Ffl(,5,)式中A为蜂壁材料的热导率;为蜂壁材料的实际面积.从六边形蜂窝的几何图形可求得:/d1t~TX//c)(6)则热导率为:/1tAc1CT
7、X//c)A(7)式中d,C依次是双层蜂壁及单层蜂壁的蜂格边长;为两单层蜂壁夹角的二分之一,t为蜂壁厚度.对于正六边形蜂格,则为:=1.54(f/c)(8)Ac1=1.54(/c)A(9)计算时应采用沿玻璃布平面方向的热导率,因没有实测值,用树脂含量50%的估算值为J0.489W/m?K,与垂直布平面方向的实测值0.454W/in?K相差不大,因此取Ar=A=0.454W/m?K.计算结果列于表2.(2)对流传热.热量通过空气的对流方式传热是较复杂的.空气局部受热或冷却而发生分子流动,随着分
