“水立方薄膜（ETFE膜）熱傳導(dǎo)特性”創(chuàng)新實驗的初步探討

林琦 曹立翔

摘 ?要：大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目是我國高等教育培養(yǎng)當(dāng)代大學(xué)生創(chuàng)新能力的一項重要舉措，它旨在培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識和動手能力。該文對創(chuàng)新實驗“水立方薄膜（ETFE膜）熱傳導(dǎo)特性”做了初步探討，綜述了水立方薄膜（ETFE膜）的各項物理特性，對計劃采用的導(dǎo)熱系數(shù)測量方法做了初步設(shè)想，并進行了深入的推導(dǎo)，得到了測量關(guān)系式，為下一步的正式測量打下了堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實驗 ?ETFE膜 ?物理特性 ?導(dǎo)熱系數(shù)

中圖分類號：TB383.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2020）12（c）-0237-03

Preliminary Discussion on Innovative Experiment of "Thermal Conduction Characteristics of Water Cube Film （ETFE film）"

LIN Qi1 ?CAO Lixiang2

（1.School of Mathematics Physics and Statistics， Shanghai University of Engineering Science; 2.School of Electronics and Electrical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai ?201620 ?China）

Abstract： College Students' Innovation Experiment Project is an important approach to cultivate the innovative ability of contemporary college students in our country. It aims to cultivate college students' innovative and practical ability. In this paper， the innovative experiment "Thermal conduction characteristics of Water Cube Film （ETFE film）" is discussed. The physical characteristics of Water Cube Film （ETFE film） are summarized. The method planned to be adopted for the thermal conductivity measurement is initially discussed and the measurement formula is obtained， which lays a solid foundation for the formal measurement in the next step.

Key Words： Innovative experiment; ETFE film; Physical properties; Thermal conductivity

大學(xué)生創(chuàng)新實驗是21世紀我國高等教育培養(yǎng)當(dāng)代大學(xué)生創(chuàng)新能力的一項重要舉措，它旨在糾正我國高等教育中長期存在的重理論、輕實驗尤其是開放性實驗的弊端。在傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)中，我國長期以來更關(guān)注于對已有物理理論的實驗驗證，得到的測量值通常都有可比較的參考對象，如理論值或更高精密度的實驗值。學(xué)生在實驗時處于按部就班的狀態(tài)，每一個操作步驟都有既定的標準，哪里出現(xiàn)差錯都可以在老師的指導(dǎo)下及時糾正，數(shù)據(jù)是否有異常，只要學(xué)生理解相關(guān)的物理理論知識，也可以及時做出判斷，然后對儀器做出相應(yīng)的調(diào)整，對實驗步驟做出相應(yīng)的反思。也就是說，在此過程中學(xué)生的思維不是開放的，是向著一個有確定答案的目標前進，這種進行實驗的方式是必要的，它可以鞏固并加深學(xué)生對所學(xué)物理知識的理解，去了解如何通過實驗重現(xiàn)理論中的物理現(xiàn)象。但如果僅限于此，對于培養(yǎng)學(xué)生的開放性思維和創(chuàng)新能力是不夠的，學(xué)生無法體會真實的科學(xué)實驗是如何進行的。真實的科學(xué)實驗在有一個實驗?zāi)繕撕螅]有一個現(xiàn)成的答案供你參考，你需要自主確定實驗中所要采用的方法，然后自行推導(dǎo)相關(guān)的物理測量關(guān)系式，再去確定具體的實驗方案，測量數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、改進實驗方案、完善并處理數(shù)據(jù)，最后給出結(jié)論、展望或物理解釋。在創(chuàng)新性實驗中，學(xué)生將會把這一真實的科學(xué)實驗過程完整地經(jīng)歷一遍，這對培養(yǎng)大學(xué)生的知識運用能力、實驗動手能力以及分析和解決問題的能力大有裨益，大學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力也將得到激發(fā)，為將來有志于從事科研的學(xué)生打下堅實的基礎(chǔ)。

在這篇論文中，我們將就創(chuàng)新實驗“水立方薄膜（ETFE膜）熱傳導(dǎo)特性”做一個初步探討，首先綜述水立方薄膜（ETFE膜）的其物理特性，其次將就采取何種方法測量ETFE膜的熱傳導(dǎo)系數(shù)做一個初步設(shè)想，并經(jīng)過推導(dǎo)得到測量關(guān)系式，最后給出結(jié)論。在這一過程中，學(xué)生通過文獻的檢索、實驗方案的設(shè)計以及測量關(guān)系式的推導(dǎo)，深刻體會到了如何去對一個完全開放的科學(xué)實驗做好前期的調(diào)研和準備。

1 ?水立方薄膜（ETFE膜）的物理特性

ETFE是英文Ethylene Tetra Fluoro Ethylen的縮寫，中文名稱為乙烯-四氟乙烯共聚物，ETFE是一種無色、透明的顆粒狀結(jié)晶體，具有優(yōu)良的耐擦傷性和耐磨性，而且ETFE還具有耐高溫和耐腐蝕的特性，在高溫條件下，強酸堿和強氧化化學(xué)溶劑對ETFE膜均不起作用，是一種安全性很高的膜材料。ETFE膜的耐化學(xué)腐蝕性與聚四氟乙烯相似，又克服了聚四氟乙烯對金屬的粘著性較差的缺點，在化工設(shè)備領(lǐng)域，可以作為化學(xué)金屬設(shè)備與配件優(yōu)良的防腐蝕襯底材料。而且其抗形變性和壓縮強度也比聚四氟乙烯好，拉伸強度高，拉伸率最大可達300%左右，是一種優(yōu)秀的建筑材料[1-2]。

ETFE膜作為建筑材料的優(yōu)點是多方面的。第一，它的重量非常輕，與建筑用玻璃幕墻相比，重量僅為后者的1%，這對于大跨度的、比較復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)尤其是頂部結(jié)構(gòu)，可以大大降低施工難度，并可以節(jié)約60%以上的建筑成本，因此在大型公共場館如體育館、文化館等建筑中可以大規(guī)模使用。第二，ETFE膜有很高的強度和延展性，抗震性能優(yōu)良，拉伸量可達到其原來長度的3倍而不發(fā)生破裂。在用于建筑的外部建造材料時，可以很好地滿足高溫差的環(huán)境條件，不會由于材料的熱脹冷縮而影響建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。第三，ETFE膜表面不容易積存污垢，容易清潔。由于其表面獨特的無孔結(jié)構(gòu)，所以ETFE膜的表面非常光滑，環(huán)境中的灰塵、雨雪都不容易附著在它的表面，這個特點大大降低了建筑外表的清潔頻次。第四，ETFE膜可以使建筑的外墻更具裝飾性。ETFE膜通常以“氣墊組塊”的形式應(yīng)用于建筑，這些“氣墊組塊”可以通過加熱的方式連接在一起。這種建材拼接方法，可以使ETFE膜比玻璃幕墻建材安裝得更長、更寬。而且由于“氣墊組塊”內(nèi)部中空，因此可以在其內(nèi)部安裝各種顏色的發(fā)光二極管照明裝置，龐大數(shù)量的發(fā)光“氣墊組塊”可以構(gòu)成一面巨大的裝飾屏幕。第五，ETFE膜具有優(yōu)良的防火特性。燃燒時膜材不會滴落，甚至?xí)韵ǎ蟠蠼档土私ㄖ幕馂?zāi)風(fēng)險和損失程度，而且由于ETFE膜質(zhì)量很輕，因此即使在由于火災(zāi)導(dǎo)致ETFE膜融化這種最壞的情況下，對救災(zāi)的進行也具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢[3-7]。

在建筑領(lǐng)域，膜結(jié)構(gòu)材料自20世紀60年代起開始應(yīng)用，因為其建筑造型簡潔優(yōu)美以及卓越的光學(xué)、力學(xué)、自潔等性能受到廣泛的贊譽。2008年亮相的北京奧運會的“水立方”游泳館就是其中的卓越代表，它所采用的ETFE膜讓陽光的熱量可以通過它的墻壁和屋頂，用來加熱建筑物的水系統(tǒng)，而如果建筑太熱，又可以通過墻壁和屋頂?shù)耐L(fēng)口排出熱量，大大提高了建筑對自然能源的利用效率。

2 ?水立方薄膜（ETFE膜）的導(dǎo)熱系數(shù)的實驗測量方法

通過上述對ETFE膜的物理特性的介紹，我們對該種膜材有了深入的了解，而它的導(dǎo)熱性能也是一個重要的物理特性，我們希望借助現(xiàn)有的實驗設(shè)備對ETFE膜的導(dǎo)熱系數(shù)做一個科學(xué)的測定。

對于本科創(chuàng)新物理實驗，我們計劃采用穩(wěn)態(tài)法測量ETFE膜的熱傳導(dǎo)系數(shù)。這種方法使用的儀器比較簡單，實驗者通過較短時間的自主摸索就能掌握儀器的使用方法，利用本科已掌握的物理知識對穩(wěn)態(tài)法的物理過程也可以分析透徹，進而推導(dǎo)出相應(yīng)的物理測量關(guān)系式。在穩(wěn)態(tài)法測量導(dǎo)熱系數(shù)時，實驗者將待測樣品放置在儀器金屬加熱圓盤和金屬散熱圓盤之間作為導(dǎo)熱介質(zhì)，將電流加載到加熱圓盤上的電阻絲，電流產(chǎn)生的熱量通過金屬圓盤傳遞給待測樣品，再傳導(dǎo)到金屬散熱盤，最終熱量釋放到周圍環(huán)境。當(dāng)加熱盤和散熱盤的溫度達到穩(wěn)定時，待測樣品的上下表面溫度也同時達到穩(wěn)定，樣品內(nèi)部就形成一個穩(wěn)定的溫度梯度場，穩(wěn)態(tài)法就是通過這個物理過程來測定樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)其實驗原理要求，ETFE膜樣品的上下表面要與加熱盤和散熱盤緊密接觸。同時樣品必須與加熱盤散熱盤同形狀，而且為了減少側(cè)面積所散發(fā)熱量的占比，樣品應(yīng)加工成薄餅狀，這樣其側(cè)面積相比上下表面積要小得多，可以認為熱量只沿著樣品上下表面的垂直方向傳遞。實驗時，我們將會把ETFE膜根據(jù)散熱盤的形狀裁剪成圓盤狀，當(dāng)傳熱達到穩(wěn)定狀態(tài)時，ETFE膜上下表面的溫度θ1和θ2在一個較長的時間段里保險穩(wěn)定不變，這時就可以認為加熱盤單位時間通過ETFE膜傳遞的熱量與散熱盤單位時間向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量相等。因此可以通過測量計算散熱盤在穩(wěn)定溫度時的散熱速率來求出加熱盤單位時間所傳遞的熱量，即：

（1）

式中，表示單位時間加熱盤通過樣品傳遞的熱

量，在穩(wěn)態(tài)法中ETFE膜樣品中的溫度場是穩(wěn)定的，因此該量應(yīng)為常數(shù);m為散熱盤的質(zhì)量;c為散熱盤材料的比熱容。再利用傅立葉熱傳導(dǎo)公式，可以將ETFE膜樣品的導(dǎo)熱系數(shù)引入關(guān)系式，經(jīng)推導(dǎo)，可以得到用于實驗測量的物理關(guān)系式為：

（2）

式中，為ETFE膜的導(dǎo)熱系數(shù);θ1為加熱圓盤溫度;θ2為散熱圓盤溫度;h為ETFE膜樣品厚度;S為ETFE膜樣品上表面或下表面的表面積。為了在ETFE膜樣品中建立明顯的溫度梯度場，我們計劃將多層ETFE膜樣品不斷密實堆疊直至樣品的測量厚度達到2 cm左右。

3 ?結(jié)語

通過對文獻的閱讀檢索我們對ETFE膜有了較為深入的了解，在實驗方法設(shè)計中，我們充分考慮了本校物理實驗室的實際，并做了詳細的推導(dǎo)，得到了測量關(guān)系式，這將為“水立方薄膜（ETFE膜）熱傳導(dǎo)特性” 創(chuàng)新實驗的下一步正式測量打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 侯亦南.“水立方”的ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)技術(shù)概述[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2019（22）：7-8.

[2] 曹影.乙烯、四氟乙烯多元共聚物的應(yīng)用與研究[D].濟南大學(xué)，2019.

[3] 任慧芳，陳偉峰，余考明，等.ETFE膜材在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用[J].有機氟工業(yè)，2020（2）：53-56，64.

[4] 張英.ETFE膜結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用[J].新型建筑材料，2019，46（1）：138-141.

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[6] 肖寧.ETFE薄膜材料在城市有軌電車車站設(shè)計中的運用[J].建材與裝飾，2016（44）：114-115.

[7] 李云龍.淺談ETFE膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[J].江西建材，2016（8）：124，128.