隔熱材料在航空電子設備中的應用

周 堯，吳 波，汪 楊，董進喜，趙 航

（西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710119）

0 引 言

飛機高速飛行時，由于蒙皮受氣動加熱作用以及發動機發熱的影響，發動機艙溫度將急劇升高[1-2]。為了對發動機進行控制和監測，發動機安裝有大量電子設備，這些電子設備面臨發動機艙惡劣的高溫環境。由于大部分電子元器件只能在125 ℃以下的溫度工作，過高的溫度會導致電子元件失效[3-6]。為了確保發動機艙電子設備處于合適的溫度范圍，需要使用隔熱材料阻隔環境熱量傳遞至電子設備內部。

發動機艙內空間狹小，溫度梯度大；發動機連續工作時間長達數十分鐘；發動機工作過程中存在強烈的機械振動，這些都對隔熱材料性能提出了嚴苛的要求。

1 隔熱材料種類和特性

航空航天領域使用的隔熱材料可分為燒蝕類和非燒蝕類[7]。燒蝕類隔熱材料是以消耗物質來阻隔熱量傳遞的積極防熱材料，包括有機材料或玻璃/酚醛、碳/酚醛、玻璃/有機硅樹脂等復合材料，其優點是安全、可靠，隔熱性能好，能適應流場變化。對于航空電子設備使用的隔熱材料，要求性能穩定且能夠反復使用，因而燒蝕隔熱材料不適合于航空電子設備使用。

非燒蝕類隔熱材料包括：纖維類隔熱材料，如陶瓷纖維、玻璃纖維、巖棉制品等[8-10]；多孔隔熱材料，如硅酸鈣制品、膨脹珍珠巖、蛭石等；泡沫隔熱材料，如聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、聚酰亞胺泡沫等；氣凝膠隔熱材料，如氧化硅氣凝膠、有機氣凝膠等。

纖維類隔熱材料通常為柔性材料，具有重量輕、安裝靈活等優點，并且導熱率相對較低，但這類材料幾何形狀難以保持穩定、機械加工工藝性差，因而通常使用這類材料對電子設備進行包裹，適合空間較大、尺寸精度要求低的場合使用。多孔隔熱材料導熱率相對較高、機械加工工藝性差、強度較低，不適合在電子設備上應用。泡沫隔熱材料由聚合物材料經發泡形成。聚氨酯泡沫孔隙率在95 %以上，抗壓強度為0.196 MPa，導熱率低于0.04 W/m·K，吸水率低、耐老化；酚醛泡沫隔熱材料導熱率低于0.04 W/m·K，但其脆性強、加工性較差，容易碎裂掉渣。聚酰亞胺泡沫是綜合性能較為優異的一種泡沫材料，具有阻燃密度低、柔性好、不掉渣、耐振動沖擊、性能穩定等優點，可對其進行封裝包裹后在電子設備上應用。氣凝膠材料是一種固相多孔納米網格非晶態功能材料，具有輕質、高比表面積、高孔隙率、極低導熱率（最低可達0.001 W/m·K）等特點，單一氣凝膠材料強度低，并且對紅外輻射遮擋能力差。因此，若要將氣凝膠材料用于電子設備隔熱，主要須解決氣凝膠封裝固定、輻射屏蔽以及與電子設備集成組裝等問題。

2 隔熱材料傳熱計算

熱量在隔熱材料內的傳遞方式通常包括輻射換熱、固體傳導。

對于一般隔熱材料，固體傳導可采用傅里葉定律計算，則有：

式中：λ是導熱率，又稱導熱系數；A是熱量傳導路徑的截面積；Δt是材料兩側表面的溫差；L是材料厚度。

對于輻射，可根據波爾茲曼定律計算，則有：

式中：ε為系統發射率（系統黑度）；σ為波爾茲曼常數；T1、T2分別為高溫面、低溫面溫度。

對于氣凝膠材料，氣相導熱率可根據下式計算：

式中：λg0是孔洞中氣體的導熱率；∏是材料的孔隙率；α是與氣體有關的常數；Kn是努森數。

固相導熱率可根據下式計算：

式中：ρ′和ρs是氣凝膠和固相骨架的密度；υ′和υs是氣凝膠和固相骨架的聲速；λs是固相的熱導率。

輻射導熱率可根據下式計算：

式中：σ是波爾茲曼常數；n是折射指數；Ks是消光系數。

3 隔熱材料導熱率測試方法

導熱率是隔熱材料最重要的物理參數，導熱率的值可以通過理論計算和試驗測試方法得到，但由于隔熱材料成分和結構的復雜性，理論數學模型通常難以準確描述隔熱材料內熱量的傳遞，隔熱材料的導熱率一般采用試驗測試的方法得到。目前，常用的測量材料導熱系數的方法主要分為穩態法和非穩態法。穩態法是指在待測試樣內建立不隨時間變化的溫度場，使熱量達到一維傳導的狀態，測量溫度梯度和試樣單位面積上的熱流量，就可以確定材料的導熱系數。穩態法主要有防護熱板法、熱流計法、水流量平板法等，非穩態法有熱線法、瞬態平面熱源法、激光閃射法等。

防護熱板法是測量絕熱材料導熱系數的優良方法，防護熱板法（Guarded Hot Plate Method, GHP）的測試機理如圖1所示。兩塊相同的待測試樣交替地夾在冷、熱板之間，熱量由中心計量面板與內防護面板垂直通過試樣傳遞到冷卻面板上，而外防護面板的溫度為冷、熱板的平均溫度，以降低試樣的邊緣熱交換，進而保證試樣上能形成一維垂直熱流。此外，若將其中的一塊試樣換作輔助加熱模塊，就可構建單試樣結構的測試裝置。

圖1 防護熱板法測試導熱系數原理示意圖

當試樣中形成穩定溫度梯度后，測量各模塊的溫度和熱功率，就可以計算得到試樣的導熱系數，其計算公式如下：

式中：λ為試樣導熱系數；Q為計量面板的加熱功率；L為待測試樣的厚度；A為熱量傳導路徑截面積；Th為試樣熱面溫度；Tc為試樣冷面溫度。

4 結 語

本文對隔熱材料的種類和特性進行了分析，研究了隔熱材料應用于電子設備的方式和主要問題，并總結了熱量在隔熱材料內傳遞的主要計算方法以及隔熱材料導熱率的測試方法，以指導隔熱材料在電子設備上的工程設計應用。