石英纤维/聚酰亚胺复合材料具有质量轻、比强度高、耐热性能好、抗氧化性能好、耐烧蚀性能好等优点，广泛应用于制造火箭鼻锥、航天飞船机翼接头、航空发动机叶片及航天飞行器防热罩等热防护结构。石英纤维/聚酰亚胺复合材料还具有优异的介电性能，能够在宽温域和宽频率范围内保持性能稳定，可应用于制造耐高温透波材料等。
导热性能是评价石英纤维/聚酰亚胺复合材料热防护性能的重要指标之一，对导热性能的研究具有十分重要的应用价值和理论意义。目前可用于表征纤维增强复合材料导热系数的测试方法主要有稳态法和瞬态法。稳态法中应用最为普遍的是防护热板法，但该方法测试周期长，试样尺寸较大而且试验数据受环境条件影响较大，不能快速获取材料的热物性数据。瞬态法包括激光闪光法、瞬态热线法和瞬态平面热源法等，其中激光闪光法设备稀有，价格昂贵，而且需要事先测量试样的比热容和密度，进而求得其导热系数；瞬态热线法更适合于测定液体或粉末试样的导热系数；瞬态平面热源法是目前纤维增强复合材料导热系数测定中应用较为广泛的方法。此外，ISO 11357-8:2021 《塑料差示扫描量热法(DSC)第8部分：导热系数的测定》中规定了采用差示扫描量热(DSC)法测定塑料导热系数的测试方法，该标准可适用于纤维增强复合材料，但目前国内还没有相关研究和报道。
中国兵器工业集团第五三研究所的王雪蓉等研究人员采用DSC法对石英纤维/聚酰亚胺复合材料的导热系数进行测定，该方法设备数量较多，操作较为简便，可作为一种快速、准确获取复合材料导热系数的测试方法。
1、试验原理及试样制备
1.1 试验原理
DSC法测试石英纤维/聚酰亚胺复合材料导热系数的原理是，熔融物质放置于待测试样之上和没有待测试样时存在热效应差异，利用该热效应差异计算待测试样的导热系数。具体操作过程为：将试样放置于试样端的传感器上，再将装有熔融物质(参比样)的坩埚放置于试样上方，导热系数的测试温度略高于熔融物质的熔点；加热后，试样内会产生温度梯度，试样的上表面温度在达到标准物质熔点时保持恒定，下表面温度为试样端传感器的温度，试样端传感器与参比样端传感器的热流率差也可同时得到。根据试样上、下表面的温度差，试样厚度和传感器间的热流率差，即可确定试样的导热系数。
1.2 试样制备
采用有证熔点标准物质或纯度达到99.9999%的物质作为熔融物质。ISO 11357-8:2021标准中推荐采用金属镓和金属铟作为熔融物质。该试验采用标准物质金属铟[编号为 GBW(E)130182]作为熔融物质。
采用圆柱形试样，试样的直径为5.9mm，高度为0.78mm。试验前，采用400目金相砂纸对复合材料试样表面进行打磨，确保试样与传感器和坩埚热接触良好，从而避免较大的表面粗糙度造成热接触的减小和导热系数的降低，为充分减小空气热阻，还应在试样接触面涂抹一层导热硅油。
2、 试验过程
2.1 试验前准备
试验采用差示扫描量热仪，熔融物质金属铟的熔点为156.52℃，试验前应根据JJG 936—2012《示差扫描热量计检定过程》对仪器的温度和热量进行校准，确保仪器处于良好的使用状态。
选择两个相同的铝坩埚，质量差不超过0.1mg，一个作为参比空坩埚，一个装有熔融物质金属铟。熔融物质应放置于坩埚底面中心位置，最好完全覆盖坩埚底部，试验采用熔融物质的质量为67.40mg，可将底面完全覆盖。
2.2 试验程序设置
将空坩埚和装有金属铟的坩埚分别放置于炉体内的参比位置和试样位置，按照以下程序进行设置。
(1)将炉体以10℃/min的升温速率从30℃升至120℃，恒温5min。
(2)将炉体以10℃/min的升温速率从120℃升至140℃。
(3)将炉体以5 ℃/min的升温速率从140℃升至150℃，恒温2min。
(4)将炉体以0.5 ℃/min的升温速率从150℃升至180℃。
(5)将炉体以5 ℃/min的降温速率从180℃降至120℃。
(6)将炉体降温至室温，取出坩埚。
再将试样放置于试样位置，将装有金属铟的坩埚置于试样之上，重复程序(1)~(6)。
3、 试验结果与讨论
图1为未放置试样和放置试样后的 DSC热流曲线，分别在两条曲线熔融峰下降段的线性范围内选取两个温度点T1和T2，较低点应高于外推起始温度之上10%，并计算两条熔融曲线下降段的斜率。
试样的导热系数可由两条熔融曲线下降段的斜率以及试样的高度和直径求得，计算公式如式(1)所示。
式中：λ为导热系数；h为试样高度；A为试样的横截面积；ΔQ为放置试样时，熔融曲线两点间的热流率增量；ΔQ0为未放置试样时，熔融曲线两点间的热流率增量；ΔT为放置试样时，熔融曲线两点间的温度增量；ΔT0为未放置试样时，熔融曲线两点间的温度增量。
表1为涂抹导热硅油前、后试样的导热系数测试结果，可见试样表面涂抹导热硅油，可有效减少接触面的空气热阻，导热系数有所增加，且该测试结果与激光闪光法的测试结果(λ=0.4285W·m-1·K-1)基本一致，说明涂抹导热硅油试样的测试结果较为准确、可靠。
为了考察DSC法测定试样导热系数的结果重复性，对试样进行6次测试，得到测试结果的标准差为0.011，优于标准ISO 11357-8:2021的要求(标准差为0.015~0.088)，说明该测试结果的重复性较好。
4、 结论
(1)采用DSC法测试了石英纤维/聚酰亚胺复合材料的导热系数，并且通过对试验条件进行优化，得到了满意的结果。
(2)采用在试样接触面涂抹导热硅油的方法，可有效降低空气热阻，增大导热系数，测试结果与激光闪光法的测试结果基本一致，且该方法测试导热系数结果的重复性较好，表明DSC法是测定石英纤维/聚酰亚胺复合材料导热系数的一种准确、可靠的方法。
来源：理化检验物理分册
关键词：
导热系数
石英纤维/聚酰亚胺复合材料
差示扫描量热法
