碳纤维毡的导热系数测量
高温气冷堆用碳毡材料导热系数测量及反问题计算
高温气冷堆用碳毡材料导热系数测量及反问题计算李聪新;任成;杨星团;姜胜耀;孙艳飞【摘要】碳纤维材料已成为核能、航天等领域不可或缺的重要功能材料，在高温气冷堆及其相关实验中需要使用大量碳纤维保温材料。
但由于目前测试方法的限制，相关材料物性参数测量数据严重不足，尤其是缺乏高温1000℃以上的热物性参数，致其使用受到限制。
为此，清华大学核能与新能源技术研究院研制了模拟高温气冷堆温度、环境氛围的材料测试装置，可提供1600℃以下的材料性能测试。
根据该装置一次典型实验过程的测量数据，详细介绍了采用非线性导热反问题方法确定材料温度相关导热系数的完整过程和具体算法。
提出了一种依据稳态、非稳态热传导原理求解反问题的简明算法，该方法既可单独使用，也可为其他反问题算法提供良好的迭代初值。
实验确定了高温气冷堆用碳毡保温材料在1600℃以下的导热系数，将为高温气冷堆相关实验和其他特高温条件下的应用提供重要参考。
%Carbon fiber material has become an indispensable function material in nuclear and aerospace fields .Researches and designs of the high temperature gas‐cooled reactor (HTGR) require a large amount of this kind of heat insulation material .Due to limita‐tions of current measuring techniques , thermo‐physical property data of carbon fiber material are gravely insufficient , especially for the data of high temperatures above 1000 ℃ ,which limits the application of this material .For this purpose ,a material performance test apparatus simulating the high temperature and ambient atmosphere in the HTGR core was built by Institute of Nuclearand New Energy Technology (INET) of Tsinghua University ,which can conduct material performance tests at temperatures up to 1600 ℃ .With the measuring data from a typical experimental process in this apparatus ,a complete procedure and detailed algorithm of estimating the t emperature‐dependent thermal conductivity of carbon insulating felt by means of inverse nonlinear heat conduction problem method were introduced . A concise algorithm of solving inverse problem based on the law of steady and transient heat conduction w as proposed , which could either work alone or provide ideal initial values for other inverse problem methods .Finally ,values of thermal conductivity of carbon felt used in the HTGR below 1 600 ℃ were determined in the experiment ,which could be used as refe rence in HGTR related experiments and other ultra‐high temperature applications .【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2014(000)011【总页数】9页(P1976-1984)【关键词】高温气冷堆;碳毡保温材料;高温;导热系数;导热反问题【作者】李聪新;任成;杨星团;姜胜耀;孙艳飞【作者单位】清华大学核能与新能源技术研究院先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084;清华大学核能与新能源技术研究院先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084;清华大学核能与新能源技术研究院先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084;清华大学核能与新能源技术研究院先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084;清华大学核能与新能源技术研究院先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084【正文语种】中文【中图分类】TL33220世纪60年代日本Shindo发明以聚丙烯腈（PAN）为原料制造碳纤维，经过50多年的发展，碳纤维材料行业已发展成独立完整的工业体系［1］，碳纤维毡作为绝热保温材料获得了广泛应用［2］。
碳纤维保温毡国标
碳纤维保温毡国标随着科技的进步和工业的发展，碳纤维材料因其独特的性能被广泛应用于各个领域。
碳纤维保温毡作为其中的一种，以其轻质、高强、耐腐蚀、优良的保温性能等特点，在建筑、化工、冶金、船舶等众多行业中得到了广泛的应用。
为了规范碳纤维保温毡的生产和使用，提高产品质量，保障使用安全，特制定本标准。
一、范围本标准规定了碳纤维保温毡的术语和定义、分类与标记、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等要求。
本标准适用于以碳纤维为主要原料，通过特定工艺制成的，用于保温隔热的碳纤维毡制品。
二、术语和定义碳纤维：指含碳量在90%以上的高强度、高模量纤维，经过高温处理后具有优良的力学性能和化学稳定性。
碳纤维保温毡：以碳纤维为主要原料，通过针刺、热压等工艺制成的，具有一定厚度和密度的，用于保温隔热的毡状制品。
三、分类与标记分类：根据使用温度的不同，碳纤维保温毡分为高温型（HT）、中温型（MT）和低温型（LT）。
标记：产品标记由产品名称、型号、规格、生产厂名或商标等组成。
例如：高温型碳纤维保温毡，规格为1000mm×2000mm×30mm，可标记为“HT-CF-Insulation-Blanket-1000×2000×30”。
四、技术要求原料：碳纤维应符合相关标准的要求，不得使用回收料或劣质原料。
外观：产品表面应平整、无破损、无污染、无明显的碳纤维束分散现象。
尺寸偏差：产品的长度、宽度和厚度应符合设计要求，尺寸偏差应在规定的范围内。
物理性能：产品的密度、压缩强度、导热系数等物理性能应符合相关标准的要求。
化学性能：产品应具有良好的化学稳定性，耐酸、碱、盐等化学腐蚀。
防火性能：产品应符合国家相关防火标准的要求，具有良好的阻燃性能。
环保性能：产品应符合国家相关环保标准的要求，不得含有有害物质。
五、试验方法外观检查：通过目视检查产品的外观质量。
尺寸测量：使用合适的测量工具测量产品的长度、宽度和厚度。
高温气冷堆用碳毡材料导热系数测量及反问题计算
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高温气冷堆用碳毡材料导热系数测量 及反问题计算
李聪新 任!成 杨星团 " 姜胜耀 孙艳飞
清华大学 核能与新能源技术研究院 先进反应堆工程与安全教育部重点实验室 北京 !# * * * " !
摘要 碳纤维材料已成为核能 航天等领域不可或缺 的 重 要 功 能 材 料 在高温气冷堆及其相关实验中需 要使用大量碳纤维保温材料 但由于目前测试方法的限制 相关材料物性参数测量数 据 严 重 不 足 尤其 是缺乏高温 #* 致其使用受到限制 为此 清华大 学 核 能 与 新 能 源 技 术 研 究 院 * * h 以上的热物性参数 研制了模拟高温气冷堆温度 环境氛围的材料测试装置 可提供 #@ * * h以下的材料性能测试根据该 详细介绍了采用 非 线 性 导 热 反 问 题 方 法 确 定 材 料 温 度 相 关 导 热 系 装置一次典型实验过程的测量数据 非稳态热传导原理求解反问题的简 明 算 法 该方法既 数的完整过程和具体算法 提出了一种依据稳态 也可为其他反问题算法提供良好的迭 代 初 值 实 验 确 定 了 高 温 气 冷 堆 用 碳 毡 保 温 材 料 在 可单独使用 将为高温气冷堆相关实验和其他特高温条件下的应用提供重要参考 #@ * * h 以下的导热系数 关键词 高温气冷堆 碳毡保温材料 高温 导热系数 导热反问题 中图分类号 9 = B B )!!! 文献标志码 +!!! 文章编号 # * * * ? @ A B # ) * # ! # # ? # A C @ ? * A D G' ) * # !' % F Q . 7 1 ' * * * > ! " # # *' C > B " 5 5
碳纤维复合材料导热系数
碳纤维复合材料导热系数简介碳纤维复合材料是一种由碳纤维和树脂基体组成的复合材料。
它具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域。
其中一个重要的性能参数就是导热系数，它对于材料在热传导过程中的表现起着关键作用。
导热系数的定义和意义导热系数（thermal conductivity）是指单位时间内单位面积上温度梯度单位长度所传递的热量。
它反映了材料在温度差条件下传递热量的能力，通常用符号λ表示。
碳纤维复合材料的导热系数决定了其在高温条件下的应用性能。
较低的导热系数意味着该材料具有较好的隔热性能，可以有效地防止热量传递，从而保护其他部件免受高温损伤。
而较高的导热系数则表明该材料具有良好的导热性能，可以快速传递热量，使其在散热和导电方面具有优势。
影响导热系数的因素纤维类型和取向碳纤维是碳元素的一种高强度纤维，具有优异的导热性能。
不同类型的碳纤维具有不同的导热系数。
常见的碳纤维类型包括PAN（聚丙烯腈）基碳纤维和高模量（HM）基碳纤维等。
此外，纤维取向也会对导热系数产生影响，通常情况下，与传热方向平行的取向会导致较高的导热系数。
树脂基体树脂基体是碳纤维复合材料中起到粘结作用的部分。
不同种类的树脂基体具有不同的导热性能。
一些树脂具有较低的导热系数，可以减少传递到复合材料中的热量；而另一些树脂则具有较高的导热系数，可以加快传递到复合材料中的热量。
纤维体积分数纤维体积分数是指碳纤维在复合材料中的体积占比。
较高的纤维体积分数通常意味着更多的碳纤维，从而导致较高的导热系数。
界面碳纤维和树脂基体之间的界面也会对导热系数产生影响。
一个良好的界面能够提高导热性能，而一个较差的界面则可能导致传热阻力增加，降低导热系数。
导热系数测量方法测量碳纤维复合材料导热系数的常用方法包括稳态法和非稳态法。
稳态法稳态法是通过测量样品两侧温度差来计算导热系数。
该方法需要将样品加热到一定温度后保持稳定状态，然后测量样品两侧温度差，并根据传热方程计算导热系数。
碳纤维比热容和导热系数
碳纤维热学性质简述碳纤维是一种高性能材料，具有轻质、高强度、高刚性和耐腐蚀等优点，广泛应用于航空、汽车、体育器材等领域。
碳纤维的比热容和导热系数是其热学性质的重要组成部分，对于正确设计碳纤维制品的热性能具有重要意义。
比热容比热容是指物体单位质量在温度变化下吸收或释放的热量。
它反映了物质在热量传递过程中的贮存和转移能力，是决定物质热性能的重要参数。
碳纤维的比热容通常采用实验方法进行测量。
根据实验结果，碳纤维的比热容与温度有一定的关系。
在低温下，碳纤维的比热容较小，随着温度的升高，比热容逐渐增加。
这种变化趋势与碳纤维的微观结构有关。
碳纤维的内部结构由许多石墨晶体组成，这些晶体在低温下具有较少的自由电子，因此比热容相对较低。
随着温度的升高，自由电子的能量增加，参与热传递的振动和自由电子的运动也增强，从而导致比热容的增加。
导热系数导热系数是指物体在单位厚度、两侧温度差为1℃时，单位时间内通过单位面积的热量。
它反映了物质在导热过程中的传递能力，是决定物质热性能的另一个重要参数。
碳纤维的导热系数同样采用实验方法进行测量。
实验结果表明，碳纤维的导热系数较低，通常在0.002-0.006W/m·K之间。
这种低导热系数的原因在于碳纤维的微观结构。
碳纤维内部由许多石墨晶体组成，这些晶体之间的界面具有较高的热阻，因此热量在碳纤维内部的传递受到限制。
此外，碳纤维中自由电子的含量较少，这也限制了碳纤维在导热过程中的传导能力。
然而，值得注意的是，碳纤维的比热容和导热系数并不是常数，而是随温度和压力等条件的变化而变化。
例如，在高温高压条件下，碳纤维内部的石墨晶体结构可能会发生变化，导致比热容和导热系数的改变。
因此，在实际应用中，需要根据具体条件对碳纤维的热学性质进行评估和优化。
应用碳纤维的比热容和导热系数对于设计碳纤维制品的热性能具有重要意义。
在实际应用中，需要根据具体需求和使用环境来选择合适的碳纤维材料。
例如，在航空领域，为了确保飞机在极端温度下的安全运行，需要评估碳纤维复合材料在各种温度下的热性能。
碳毡的保温原理
碳毡的保温原理
碳毡的保温原理基于其特殊的微观结构和物理性质。
碳毡是由碳纤维制成的毡，其碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等特性。
在碳毡的生产过程中，碳纤维被加工成三维乱层石墨结构，这种结构可以有效地限制气体分子的运动，从而使得碳毡具有优良的隔热性能。
碳毡的隔热原理基于气体导热系数低于固体和液体的物理原理。
当热量通过碳毡时，热量传递的主要方式是通过气体分子的热传导。
由于碳毡中的碳纤维具有很高的比表面积，可以吸附大量的气体分子，这些气体分子在纤维之间形成稳定的热阻层，使得热量难以传递，从而实现良好的隔热效果。
此外，碳毡的导热系数很低，一般在0.03-0.05W/(m·K)之间，这意味着碳毡可以有效地阻止热量的传递。
由于碳毡的密度较高，且纤维结构具有较高的稳定性，因此其在使用过程中不易被压缩或变形，从而能够长期保持其隔热性能。
总之，碳毡的保温原理主要基于其特殊的微观结构和物理性质，通过限制气体分子的运动和形成稳定的热阻层来实现良好的隔热效果。
由于其优良的隔热性能和稳定性，碳毡在航空航天、汽车、建筑等领域得到了广泛应用。
碳纤维复合材料薄壁圆筒的轴向导热系数测试
碳纤维复合材料薄壁圆筒由碳纤维与树脂 基 体 复 合 缠 绕 而 成 ,受 碳 纤 维 缠 绕 方 向 的 影 响 , 热量沿顺纤维方向和垂直纤维方向热阻不同, 导致碳纤维复合材料筒体径向和轴向导热系数 存在较大差异.圆筒径向导热系数的测试有相 关 的 国 家 标 准 进 行 测 试 规 范 ,但 对 于 直 径 较 大 、 截面面积较小的碳纤维复合材料薄壁圆筒轴向 导热系数测试没有相关的标准 . [９Ｇ１２]
MeasurementofAxialThermalConductivity ofCarbonFiberCompositeThinＧwalledCylinder
ZHAO Weili,GUOZixue,RAN Bo,XIE Qing
(ResearchInstituteofPhysicalandChemicalEngineeringof NuclearIndustry,Tianjin３００１８０,China)
收 稿 日 期 :２０１８Ｇ０８Ｇ１８;修 回 日 期 :２０１８Ｇ１０Ｇ２７ 作 者 简 介 :赵 伟 利 (１９８５— ),男 ,河 北 石 家 庄 人 ,助 理 研 究 员 ,从 事 旋 转 机 械 性 能 优 化 及 测 试 技 术 研 究 网 络 出 版 时 间 :２０１９Ｇ０１Ｇ１１;网 络 出 版 地 址 :http:∥kns．cnki．net/kcms/detail/１１．２０４４．TL．２０１９０１１０．１２３５．００６．html
碳纤维复合材料的导热系数
碳纤维复合材料是一种由碳纤维与树脂、金属或其他材料复合而成的先进材料。
这种材料具有优异的力学性能、耐腐蚀性和轻质化等特点，广泛应用于航空航天、汽车、体育设备、建筑等领域。
在导热性能方面，碳纤维复合材料的导热系数是表征材料传热性能的重要参数。
定义：导热系数是指材料在温差作用下，单位时间内通过单位面积传递的热量。
导热系数越大，材料的传热性能越好。
对于碳纤维复合材料，其导热系数取决于纤维类型、纤维含量、纤维取向以及基体材料的性质等因素。
用法：碳纤维复合材料的导热系数通常需要通过实验测量。
测量方法包括热线法、热板法、激光闪射法等。
其中，热线法是最常用的方法之一，通过在材料表面放置热线并测量其热量损失来计算导热系数。
重点：碳纤维复合材料的导热性能受到多种因素的影响，如纤维类型、纤维含量、纤维取向以及基体材料的性质等。
因此，在设计和制备碳纤维复合材料时，需要综合考虑这些因素，以达到所需的导热性能。
同时，导热系数也是评价碳纤维复合材料性能的重要指标之一，对于产品的设计和应用具有重要意义。
难点：由于碳纤维复合材料的导热性能受到多种因素的影响，因此其导热系数的预测和控制具有一定的难度。
同时，由于碳纤维复合材料的各向异性，其导热系数可能会因纤维取向的不同而有所差异。
此外，在制备碳纤维复合材料时，纤维和基体之间的界面热阻也是影响其导热性能的重要因素之一。
注意事项：在使用碳纤维复合材料时，需要注意其导热性能是否符合应用场景的要求。
例如，对于需要承受高温和高湿度的应用场景，需要选择具有较高导热系数的碳纤维复合材料。
同时，在制备碳纤维复合材料时，需要注意控制纤维取向和界面热阻等因素，以保证其导热性能的稳定性和可预测性。
应用案例1：在航空航天领域，碳纤维复合材料被广泛应用于制造飞机和火箭等高速飞行器。
在这些飞行器上，由于温度变化较大，需要具有良好的导热性能以保持温度稳定。
因此，设计师通常会选择具有较高导热系数的碳纤维复合材料来制造机翼、机身和火箭发动机等关键部件。
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碳纤维毡的导热系数测量
碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。
碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。
碳纤维是火箭、卫星、战斗机和舰船等尖端武器装备必不可少的战略基础材料，也是让大型民用飞机、汽车、高速列车等现代交通工具实现“轻量化”的完美材料。
由碳纤维制成的毡称为碳毡，碳毡在真空或惰性气氛下经2000℃以上高温处理后成为石墨毡，含碳量比碳毡高，达99%以上。
碳毡和石墨毡产品具有质轻、炭含量高、而烧蚀、抗腐蚀、纯度高、高温无挥发、导热系数小、高温不变形等优异性能，石墨毡在非氧化气氛条件下，使用温度可达3000℃左右，通常作为真空烧结炉、单晶炉电阻炉、高压炉、感应炉等的保温隔热材料，在化学工业中可作为高纯度腐蚀性化学试剂的过滤材料，广泛用于光伏、半导体以及冶金、光纤制造、玻璃加工和陶瓷工业。
利用TC3000热线法导热系数仪，测量了室温下不同材料碳纤维和不同工艺制成的碳毡的导热系数，可以看到，不同的样品之间，导热系数有明显的差异。
表1. 碳纤维毡的导热系数测试结果。