防隔热材料比热测量及影响因素分析

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防隔热材料作为一种低密度、导致系数极低的材料,在航空航天、热工设备及建筑等方面起着重要的作用。为了更好地了解防隔热材料,研究其的热物性是必不可少的,比热作为表征材料吸收热量能力的基础物性参数,对防隔热材料性能的研究十分重要,也可以为其他物性的测量提供依据。由于差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry,DSC)具有用量少、测量时间短、操作方便等优点,是目前受到广泛关注的一种测量比热的方法。因此,本文围绕差示扫描量热法对隔热材料比热的测量,开展了实验测量和数值模拟工作,研究了不同影响因素对比热测量结果的影响。实验中使用耐驰DSC 404F3仪器,对仪器进行温度校正和灵敏度校正后,基于DSC测量比热的基本原理,针对某两种隔热材料二氧化硅气凝胶和隔热棉毡进行比热测试,并对测量结果进行分析。结果发现,隔热材料的比热结果测量重复性很差,为了研究这一问题的原因,多次测量基线和样品热流曲线,发现DSC的敏感度很高,而样品的用量很少,因此每次样品坩埚装样后再重新放回可能会使基线产生不可控的差异,这会导致样品热流曲线产生明显差异从而导致比热测量重复性差。然后用DSC测量纯铜的比热,结果表明,该仪器测量金属物质时,低温下有着较好的准确性,随着温度的升高,测量结果变差。根据测量仪器炉体结构构建了三维模型,明确其内部传热过程的数学模型和物理模型,使用商用软件Fluent对其进行数值模拟,并验证了网格无关性。在此基础上,模拟金属材料纯铜和某隔热材料分别在不同升温速率、吹扫气速率、样品厚度和样品发射率的条件下的传热过程。结果表明,不同材料的热滞后时间几乎相同,但随着升温速率、吹扫气速率和样品厚度的变化会发生改变,提供了可以得到有效比热值的初始温度。定性地分析各个条件对比热测量结果的影响,结果显示,升温速率和吹扫气速率对比热测量结果几乎没有影响,样品厚度会对比热测量结果产生一定的影响。然而,在改变样品发射率的模拟中得到了一个重要发现,辐射作用在低温下对纯铜的比热测量结果影响不大,但随着温度的升高,辐射的影响会越来越明显,而对于隔热材料,辐射的作用会造成非常大的影响,这使其比热测量的结果非常不可靠。本文结合实验测量和数值模拟,对DSC测量防隔热材料比热的可用性进行具体的分析,最终说明DSC测量低温下金属材料比热具有较好的可靠性,而测量隔热材料比热和高温下金属材料比热的误差是非常大的。
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