[发明专利]基于测量的纤维材料等效最大孔径获取系统及其方法

说明书

本发明提供了一种基于测量的纤维材料等效最大孔径获取系统及其方法，包括测量室28、空气处理系统、图像控制系统11，中央处理系统12，通过调节恒温恒湿环境、采集多孔材料吸水图像、测量水重量变化等步骤，并结合材料表面水蒸发速率等因素建立分形模型，最终算出多孔材料的等效最大孔径。本发明利用实时动态图像采集和重量采集结合的系统，快速、连续、自动、同步的观测材料的吸水过程，获取材料孔隙率、渗透率。再借助分形理论，建立了材料宏观吸水特性(吸水高度/重量)与材料微观结构参量之间的联系，进而得到材料的微观结构特征，改善实验准确度，并引入实验得到的表面蒸发率，提高模型的预测精度。

技术领域

本发明属于利用分形理论和动态图像处理和重量采集技术研究多孔材料微观尺度宏观参量的技术领域，具体涉及一种基于测量的纤维材料等效最大孔径获取系统及其方法。

背景技术

蒸发冷却是一种利用水分蒸发，吸收空气中的汽化潜热的自然冷却方式。由于不使用传统蒸汽压缩式空调系统的压缩机，所以耗电量很低，对环境的污染非常小，是一种节能环保的冷却方式。典型的蒸发冷却方式包括直接和间接蒸发冷却两种。与直接蒸发冷却相比，间接蒸发冷却方式不会增加送风的含湿量，室内环境的舒适度较好，被越来越多的应用到建筑冷却中。间接蒸发冷却设备通过蒸发材料实现传热传质，其材料的毛细吸水性直接影响冷却设备的效率，而材料的吸水性主要由其孔隙微观结构参量所决定，因此，对如何测定反映吸水性的多孔材料微结构宏观参量的研究是十分必要的。

目前传统直接测定多孔材料孔径的方法有显微测量法，间接测定孔径的方法有气泡压力法、压汞法、渗透法等，测定孔隙率的方法有压汞法，测定渗透率的方法有基于达西定律的渗透法，然而受限于仪器、环境及技术条件等因素，这些测量方法无法快速、直接的获得反映材料整体微观结构的宏观参量，也不能直观的观测人们所关心的物理过程。其次，可观测多孔材料吸水物理过程的传统仪表为克列姆吸收性测定仪(测量吸水高度)和精密天平(测量吸水重量)，克列姆吸收性测定仪采用的是静态的测量方法(由观测者通过直尺观察不同时刻的吸水高度)，不能快速、连续、准确的获得吸水高度的动态变化。而且，常规测量多孔材料吸水量变化的精密天平，也没有与吸水高度测量同步，进而无法快速、直接获取材料的孔径、孔隙率、渗透率等微结构参量，并建立他们与宏观吸水性(吸水高度、吸水重量)之间的联系。

本发明提出之前，我们做了一些蒸发材料吸水性方面的相关研究工作(EnergyandBuildings148(2017)199–210,http://dx.doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.04.012)。采用传统的克列姆吸收性测定仪，在不同时刻测试了多种纤维材料的吸收高度。并且，采用精密天平测量了材料吸水前后的质量变化，得到材料的吸水量。但这种测试方法仍是不连续的静态测量，无法间接获取材料的微观结构。

分形是一种表征多孔材料复杂孔隙微结构的新兴方法，它使定量描述多孔材料微观结构和宏观性能成为可能。多孔材料的微观结构在一定范围内表现出自相似性特征，因此可以用分形几何来定量表征。现有的分形理论虽然可以建立孔隙结构分维数、分形系数、孔径等微观参量与宏观吸水性能之间的关系，但需事先采用各种微观及宏观测量仪器确定材料孔径分布、孔隙率、渗透率等微观结构参数，无法快速、直接的建立材料微观结构与吸水性之间的联系。而且，现有的分形模型也没有考虑材料表面水分蒸发率对其吸水性的影响。

综上所述：

1.传统获取材料孔径的气泡压力法、压汞法、渗透法以及分析材料微观结构的透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)等设备，受限于仪器、环境及技术条件等因素，无法快速、直接的获得反映整体微观结构的宏观参量，也不能直观的观测人们所关心的吸水物理过程。

2.传统测量多孔纤维材料吸水高度的仪表是克列姆吸收性测定仪，它是一种测量吸水高度的静态方法，无法实现准确(尤其是在实验开始的最初阶段，人工观察高度和读数的测量误差较大，无法准确的获取吸水高度的快速变化)、快速、连续测量，也不能得到材料孔隙率、渗透率和孔隙微观结构等参量。