材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量

1、材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量導(dǎo)熱系數(shù)是反映材料的導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)之一，在工程技術(shù)方面是必不可 少的。所以對導(dǎo)熱系數(shù)的研究和測量就顯得很有必要。金屬材料的導(dǎo)熱起主要作 用的是自由電子的運動，無機(jī)非金屬材料的導(dǎo)熱則是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動 （聲子） 來實現(xiàn)。目前測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法都是建立在傅立葉導(dǎo)熱定律的基礎(chǔ)上的，分為穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法。本實驗介紹用穩(wěn)態(tài)法，穩(wěn)態(tài)法是通過熱源在樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定 的溫度分布后，再進(jìn)行測量的方法。一、實驗?zāi)康?. 了解穩(wěn)態(tài)法測無機(jī)非金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)的方法；2. 掌握KY-DRX-R導(dǎo)熱系數(shù)測試儀的硬件和軟件操作規(guī)程；3. 利用測試儀測量石英、陶瓷兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)。、實驗儀器上海實博

2、實業(yè)有限公司生產(chǎn)的KY-DRX-Rffl導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，主要由測試頭、電器測控系統(tǒng)、冷卻恒溫水槽、計算機(jī)系統(tǒng)組成。各部件接線如圖所示測試頭由加熱器、連接樣品的上下熱極、冷卻器、測量熱電偶、加壓系統(tǒng)組 成。加熱器采用不銹鋼材料加工而成，內(nèi)裝內(nèi)熱式加熱器，由高精度數(shù)顯溫控表 控溫，提供穩(wěn)定的熱極溫度。上下熱極由不銹鋼制成，表面安裝有熱電偶，熱極 的作用是傳遞熱量和測量熱量。冷卻器也是不銹鋼材料加工而成， 內(nèi)有水槽，通 過管導(dǎo)與外恒溫水槽相連，利用外恒溫水槽與冷卻器的水循環(huán)，在冷卻器中形成 第二恒溫場，提供上熱極冷端穩(wěn)定溫度。測量熱電偶由4支組成，分別測量上下 熱極表面的4個溫度點，利用溫度梯度計算

3、熱流量。加壓系統(tǒng)用于消除試樣與熱極的熱阻。三、實驗原理當(dāng)物體內(nèi)部各處的溫度不均勻時， 就會有熱量從溫度較高處傳遞到溫度較低 處，這種現(xiàn)象叫熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。對于各向同性的物質(zhì)，在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下有傅立葉定律：Q dT S tdx比例系數(shù)稱導(dǎo)熱系數(shù)，其值等于相距單位長度的兩平面的溫度相差為一個單位 時，在單位時間內(nèi)通過單位面積所傳遞的熱量，單位是瓦米-1 開一（W-m-1 K-1 ）。本實驗采用的是穩(wěn)態(tài)法測量導(dǎo)熱系數(shù)。 試樣被夾在兩金屬塊之間，加壓系統(tǒng) 是經(jīng)由一個升降壓板和彈簧加壓。加熱單元是由銅或是其他高導(dǎo)熱性的材料構(gòu)成的，且包含有套筒或是相似的加熱線圈。它用熱絕緣材料（環(huán)氧FR- 4）與周圍的保溫加

4、熱器相隔離。絕緣材料為5mn厚度。保溫加熱器不受壓力，以確保所有 的測量能量都傳到高測量棒上。測量棒是由高熱導(dǎo)性材料構(gòu)成，并且具有平行的 工作表面。冷卻單元是一個金屬盒，由恒溫池對其冷卻。實驗時，一方面加熱單 元直接將熱量通過樣品下平面?zhèn)魅霕悠?，另一方面冷卻單元使傳入樣品的熱量不斷由樣品的上平面散出，當(dāng)傳入的熱量等于散出的熱量時樣品處于穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)，這時樣品的上下平面的溫度分別為一定的數(shù)值。此時，通過樣品厚度、半徑、溫度梯度與通過樣品的熱流便可計算導(dǎo)熱系數(shù)。具體計算過程如下:1、流過待測樣品的熱流小12 AQ12 十廠*（Ti TJQ:流過下熱極的熱流，W34 AQ34d *（T3 T4）Q

5、:流過上熱極的熱流，W:下熱極材料的熱導(dǎo),W/m K34:上熱極材料的熱導(dǎo),W/m-KT1 t2 :下熱極兩個熱電偶的溫差T3 t4 :上熱極兩個熱電偶的溫差a :垂直于熱流方向的熱極截面積，md：熱極兩溫差電偶的距離，m公式中12=18.5 W/m- K; d = 0.05 m ;熱極直徑為 30mm考慮到上熱極（低溫端）的熱量損失較小，熱流值更精確，因此用它表示流過待 測樣品的熱流，即： Q Q342、與試樣相接觸的高測量塊的溫度Th T2 中（Ti TJdATh :與試樣相接觸的高測量塊的溫度，KT1 :高測量塊的較高溫度，K T2：高測量塊的較低溫度，KdA :高溫傳感器間距，mdB

6、:低溫傳感器到測量塊低溫表面的距離，m本實驗中dB0.04dA3、與試樣相接觸的低測量塊的溫度Tc T3 d （T3 T4）deTh :與試樣相接觸的低測量塊的溫度，KT3:低位測量塊的高溫，KT4 :低位測量塊的低溫，KdD :高溫傳感器到測量塊高溫表面的距離，mde :低溫傳感器間距，m本實驗中do；0.044、試樣導(dǎo)熱系數(shù)的計算a :試樣截面積，m四、實驗內(nèi)容和步驟Q*dA*（Th Te）d：試樣厚度，m1、裝樣：在樣品的兩個面以及上下熱極的端面涂覆導(dǎo)熱硅脂，將樣品放置在上下熱極之間進(jìn)行合軸裝配，然后加壓（如是軟性試樣則不需加壓），并將從熱極和樣品間擠出的多余硅脂擦掉。裝上反射屏。2、設(shè)置恒溫水槽溫度，打開循環(huán)和加熱開關(guān)。3、打開主機(jī)電源開關(guān)，啟動計算機(jī)，進(jìn)入導(dǎo)熱系數(shù)測試程序。4、設(shè)置熱極溫度，啟動加熱。5、輸入試樣截面積和高度數(shù)據(jù)，按自動測試鍵，儀器進(jìn)入測試狀態(tài)，測試完成 后自動顯示導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)。如結(jié)果需要保存請按保存鍵。6、重復(fù)上述 1、 5、步驟可反復(fù)測試試樣。本實驗中選取石英、陶瓷兩種試樣， 利用導(dǎo)熱系數(shù)測量儀測定它們的導(dǎo)熱系數(shù)。7、數(shù)據(jù)記錄：需要記錄的數(shù)據(jù)包括樣品的直徑、厚