隔热材料在航空电子设备中的应用

2021-11-22董进喜

物联网技术 2021年11期

周尧，吴波，汪杨，董进喜，赵航

（西安航空计算技术研究所，陕西西安 710119）

0 引言

飞机高速飞行时，由于蒙皮受气动加热作用以及发动机发热的影响，发动机舱温度将急剧升高[1-2]。为了对发动机进行控制和监测，发动机安装有大量电子设备，这些电子设备面临发动机舱恶劣的高温环境。由于大部分电子元器件只能在125 ℃以下的温度工作，过高的温度会导致电子元件失效[3-6]。为了确保发动机舱电子设备处于合适的温度范围，需要使用隔热材料阻隔环境热量传递至电子设备内部。

发动机舱内空间狭小，温度梯度大；发动机连续工作时间长达数十分钟；发动机工作过程中存在强烈的机械振动，这些都对隔热材料性能提出了严苛的要求。

1 隔热材料种类和特性

航空航天领域使用的隔热材料可分为烧蚀类和非烧蚀类[7]。烧蚀类隔热材料是以消耗物质来阻隔热量传递的积极防热材料，包括有机材料或玻璃/酚醛、碳/酚醛、玻璃/有机硅树脂等复合材料，其优点是安全、可靠，隔热性能好，能适应流场变化。对于航空电子设备使用的隔热材料，要求性能稳定且能够反复使用，因而烧蚀隔热材料不适合于航空电子设备使用。

非烧蚀类隔热材料包括：纤维类隔热材料，如陶瓷纤维、玻璃纤维、岩棉制品等[8-10]；多孔隔热材料，如硅酸钙制品、膨胀珍珠岩、蛭石等；泡沫隔热材料，如聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、聚酰亚胺泡沫等；气凝胶隔热材料，如氧化硅气凝胶、有机气凝胶等。

纤维类隔热材料通常为柔性材料，具有重量轻、安装灵活等优点，并且导热率相对较低，但这类材料几何形状难以保持稳定、机械加工工艺性差，因而通常使用这类材料对电子设备进行包裹，适合空间较大、尺寸精度要求低的场合使用。多孔隔热材料导热率相对较高、机械加工工艺性差、强度较低，不适合在电子设备上应用。泡沫隔热材料由聚合物材料经发泡形成。聚氨酯泡沫孔隙率在95 %以上，抗压强度为0.196 MPa，导热率低于0.04 W/m·K，吸水率低、耐老化；酚醛泡沫隔热材料导热率低于0.04 W/m·K，但其脆性强、加工性较差，容易碎裂掉渣。聚酰亚胺泡沫是综合性能较为优异的一种泡沫材料，具有阻燃密度低、柔性好、不掉渣、耐振动冲击、性能稳定等优点，可对其进行封装包裹后在电子设备上应用。气凝胶材料是一种固相多孔纳米网格非晶态功能材料，具有轻质、高比表面积、高孔隙率、极低导热率（最低可达0.001 W/m·K）等特点，单一气凝胶材料强度低，并且对红外辐射遮挡能力差。因此，若要将气凝胶材料用于电子设备隔热，主要须解决气凝胶封装固定、辐射屏蔽以及与电子设备集成组装等问题。

2 隔热材料传热计算

热量在隔热材料内的传递方式通常包括辐射换热、固体传导。

对于一般隔热材料，固体传导可采用傅里叶定律计算，则有：

式中：λ是导热率，又称导热系数；A是热量传导路径的截面积；Δt是材料两侧表面的温差；L是材料厚度。

对于辐射，可根据波尔兹曼定律计算，则有：

式中：ε为系统发射率（系统黑度）；σ为波尔兹曼常数；T1、T2分别为高温面、低温面温度。

对于气凝胶材料，气相导热率可根据下式计算：

式中：λg0是孔洞中气体的导热率；∏是材料的孔隙率；α是与气体有关的常数；Kn是努森数。

固相导热率可根据下式计算：

式中：ρ′和ρs是气凝胶和固相骨架的密度；υ′和υs是气凝胶和固相骨架的声速；λs是固相的热导率。

辐射导热率可根据下式计算：

式中：σ是波尔兹曼常数；n是折射指数；Ks是消光系数。

3 隔热材料导热率测试方法

导热率是隔热材料最重要的物理参数，导热率的值可以通过理论计算和试验测试方法得到，但由于隔热材料成分和结构的复杂性，理论数学模型通常难以准确描述隔热材料内热量的传递，隔热材料的导热率一般采用试验测试的方法得到。目前，常用的测量材料导热系数的方法主要分为稳态法和非稳态法。稳态法是指在待测试样内建立不随时间变化的温度场，使热量达到一维传导的状态，测量温度梯度和试样单位面积上的热流量，就可以确定材料的导热系数。稳态法主要有防护热板法、热流计法、水流量平板法等，非稳态法有热线法、瞬态平面热源法、激光闪射法等。

防护热板法是测量绝热材料导热系数的优良方法，防护热板法（Guarded Hot Plate Method, GHP）的测试机理如图1所示。两块相同的待测试样交替地夹在冷、热板之间，热量由中心计量面板与内防护面板垂直通过试样传递到冷却面板上，而外防护面板的温度为冷、热板的平均温度，以降低试样的边缘热交换，进而保证试样上能形成一维垂直热流。此外，若将其中的一块试样换作辅助加热模块，就可构建单试样结构的测试装置。