論導(dǎo)熱系數(shù)的測定

PAGEPAGE12實(shí)驗(yàn)論文題目：論導(dǎo)熱系數(shù)的測定論導(dǎo)熱系數(shù)的測定摘要：導(dǎo)熱系數(shù)的測定有很大的實(shí)用價(jià)值。本文詳細(xì)介紹了穩(wěn)太發(fā)和非穩(wěn)太法測量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)。通過對在實(shí)驗(yàn)過程遇到的問題及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，比較兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)；以及在解決問題過程的收獲。關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱系數(shù)；穩(wěn)態(tài)法；非穩(wěn)態(tài)法（一）引言：導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì)的物理量。材料結(jié)構(gòu)的變化與所含雜質(zhì)對導(dǎo)熱系數(shù)值都有明顯影響，因此導(dǎo)熱系數(shù)由實(shí)驗(yàn)具體測定。測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法一般分為兩類:穩(wěn)態(tài)法、非穩(wěn)態(tài)法。（二）穩(wěn)態(tài)法測導(dǎo)熱系數(shù)【試驗(yàn)?zāi)康摹坑梅€(wěn)態(tài)法側(cè)出不良導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)，并與理論值進(jìn)行比較?！緦?shí)驗(yàn)原理】根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱方程式，在物體內(nèi)部，取兩個(gè)垂直與熱傳導(dǎo)方向、彼此間相距為h、溫度分別為、的平行平面（設(shè)>）,若平面面積為S,在△t時(shí)間內(nèi)通過面積S的熱量△Q滿足下述表達(dá)式:=S(1)式中為熱流量,即為該物質(zhì)的熱導(dǎo)率(又稱作導(dǎo)熱系數(shù)),在數(shù)值上等于相距單位長度的兩平面的溫度相差1個(gè)單位時(shí),單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量,其單位是W。ABP圖1傳感器與樣品ABP圖1傳感器與樣品由式（1）可以知道，單位時(shí)間內(nèi)通過待測樣品B任一圓截面的熱流量為R（2）公式中R為樣品的半徑，h為樣品的厚度，當(dāng)然傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，的值不變，于是通過B盤上表面的熱流量與由銅盤P向周圍環(huán)境散熱的速度相等，因此，可通過銅盤P在穩(wěn)定溫度時(shí)的散熱速度來求出熱流量。試驗(yàn)中，在讀得穩(wěn)定時(shí)的、和后，即可將B盤移去，而使盤A的底面與銅盤P接觸。當(dāng)盤P的溫度上升到高于穩(wěn)定時(shí)的值若干攝氏度后，再將圓盤A移開，讓銅盤P自然冷卻。觀察其溫度隨時(shí)間變化情況同，然后由求出銅盤在的冷卻速率，而mc=（為紫銅盤P的質(zhì)量，C為銅材的比熱容）就是紫銅盤P在溫度為時(shí)的散熱速度但要注意，這樣求出的是P盤的全部表面暴露與空氣中的冷卻速率，其散熱表面積為2+2（其中R與h分別為紫銅盤的半徑與厚度）。然而在觀察測試樣品的穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，P盤的上表面（面積為）是被樣覆蓋著的。考慮到物體的冷卻速率與它的表面積成正比，則穩(wěn)態(tài)時(shí)P盤散熱速率進(jìn)行修正得：（4）【實(shí)驗(yàn)儀器介紹和連接】儀器包含有：①熱源：電熱管、加熱銅板；②樣品架：樣品支架、樣品板；③測溫部分：銅—康銅熱電偶、數(shù)字電壓表。整個(gè)加熱圓筒可上下升降和左右轉(zhuǎn)動，發(fā)熱圓盤和散熱圓盤的側(cè)面有一小孔，為放置熱電偶之用。散熱盤P放在可以調(diào)節(jié)的三個(gè)螺旋頭上，可使待側(cè)樣品盤的上下兩個(gè)表面與發(fā)熱圓盤和散熱圓盤緊密接觸。散熱盤P下方有一個(gè)軸流式風(fēng)扇，用來快速散熱。兩個(gè)熱電偶的冷端分別插在放有冰水的真空保溫杯中的兩根玻璃管中。熱端分別插入發(fā)熱圓盤和散熱圓盤的側(cè)面小孔內(nèi)并分別將其插入加熱盤A和散熱盤P的熱電偶接線連接到儀器面板的傳感器。利用面板上的開關(guān)可方便地直接側(cè)出兩個(gè)溫差電動勢。四、實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將待測樣（例如硅橡膠圓片）放在散熱盤上面，然后將發(fā)熱盤A放在樣品盤B上方，并用固定螺旋母固定在機(jī)架上。再調(diào)節(jié)三個(gè)螺旋頭，使樣品盤的上下表面與發(fā)熱盤和散熱盤緊密接觸?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】在測量導(dǎo)熱系數(shù)前應(yīng)先對散熱盤Ｐ和待測樣品的直徑、厚度進(jìn)行測量。用游標(biāo)卡尺測量待測樣品直徑和厚度，各測５次。直接用天平稱出Ｐ盤的質(zhì)量。不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測量將電壓開關(guān)打在220V快速加熱，待=4.00mV時(shí)將開關(guān)撥至110V慢速加熱待降至3.5mV手控調(diào)節(jié)電壓使變化在0.03mV范圍內(nèi)，同時(shí)每隔兩分鐘記錄、，在10分鐘不變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，記錄、。移去樣品讓A和P接觸。使P比高0.4mV，再移去A，在P上蓋上樣品B，讓P自然冷卻。每隔30秒記錄一次，取臨近的數(shù)據(jù)，求出?！緮?shù)據(jù)處理與結(jié)果】試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（銅的比熱c=0.09197cal.g.C,比重8.9g/cm）散熱盤P：質(zhì)量m=913.8(g)半徑R==6.504（cm）橡膠盤：半徑R==6.448(cm)穩(wěn)態(tài)時(shí)值（轉(zhuǎn)換見附錄2的分度表）12345(mV)3.493.513.533.503.50(mV)1.981.981.981.981.98散熱速率：時(shí)間（秒）306090120150180210240（mV）2.172.152.142.101.951.941.901.86據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出不良導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)，并求出相對誤差。誤差分析：⑴自然冷卻的影響；⑵樣品兩端面有劃痕；⑶導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度而變化?！咀⒁馐马?xiàng)】放置熱電偶的散熱圓盤側(cè)面的小孔應(yīng)與杜瓦瓶同一側(cè)，避免熱電偶線相互交叉。試驗(yàn)中，抽出被測樣品時(shí)，應(yīng)先旋松加熱圓筒側(cè)面的緊定螺釘。樣品取出后，小心將加熱圓筒降下，使發(fā)熱盤與散熱盤接觸，應(yīng)防止高溫燙傷。（三）閃光法測導(dǎo)熱系數(shù)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙蟆?.測不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率；2.了解一種測熱參數(shù)的方法；3.學(xué)會用微機(jī)控制實(shí)驗(yàn)及采集處理數(shù)據(jù)?！緦?shí)驗(yàn)原理】應(yīng)用：建筑材料及保溫材料需測熱導(dǎo)率，要求低比較好。近年來，非穩(wěn)態(tài)法因其測量時(shí)間短而得到廣泛應(yīng)用。非穩(wěn)態(tài)法采用非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，測得的是溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，得到熱擴(kuò)散率α，利用材料的已知密度ρ和比熱容C，就可求得熱導(dǎo)率λ=αρC。1．熱導(dǎo)率λ，反映物質(zhì)導(dǎo)熱能力的重要參數(shù)，表示單位時(shí)間單位長度溫度降低一度時(shí)，單位面積上通過的熱量。單位為W/m·K。付立葉導(dǎo)熱定律：，：熱流密度矢量，表示在單位等溫面上沿溫度降低方向單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量。2．非穩(wěn)態(tài)法測熱導(dǎo)率：利用非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程。假設(shè)一束能量為Q的脈沖光在t=0時(shí)照射在試樣表面，且被均勻吸收，可用一維導(dǎo)熱微分方程：解得熱擴(kuò)散率：α=1.38L2/π2t1/2從而熱導(dǎo)率：λ=1.38ρ·C·L2/π2t1/2t1/2為最大溫升的一半所對應(yīng)的時(shí)間值。本實(shí)驗(yàn)裝置分為三部分，光學(xué)系統(tǒng)；測溫系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)全過程僅十幾秒，時(shí)間短，使用微機(jī)快速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。由D/A轉(zhuǎn)換功能觸發(fā)光脈沖，同時(shí)用A/D轉(zhuǎn)換功能采集由PN結(jié)溫度傳感器接收到的樣品背面的溫度隨時(shí)間的變化，由微機(jī)屏幕顯示出溫升曲線?！緦?shí)驗(yàn)儀器介紹和鏈接】儀器包含有：閃光法導(dǎo)熱儀、高壓脈沖疝燈及電源、光學(xué)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、待測樣品、P-N結(jié)溫度傳感器、放大電路、AD/DA卡、微機(jī)、軟件儀器介紹；光學(xué)系統(tǒng)：半酣高壓脈沖疝燈、疝燈電源、橢球反光鏡、樣品和樣品盒、疝燈及樣品的三維調(diào)節(jié)裝置。本實(shí)驗(yàn)用的高壓脈沖疝燈形狀為直管狀。當(dāng)電極的兩端加高壓600—1000V，極間就會發(fā)出耀眼的白光（不能用肉眼直接觀看），對試樣進(jìn)行加熱。測溫系統(tǒng)：包含PN結(jié)溫度傳感器、測溫電路板、試樣等數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：包含微機(jī)、多通道高速AD/DA轉(zhuǎn)換卡、軟件等儀器安裝和連接1、光學(xué)系統(tǒng)

⑴使疝燈電極中心在第一焦點(diǎn)處（距反光鏡底口約15mm處）。⑵調(diào)節(jié)樣品架位置距反光鏡大口約96.6mm。

2、測溫系統(tǒng)傳感器傳感器放大電路AD轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)樣品脈沖疝燈電源DA轉(zhuǎn)換測溫系統(tǒng)的主要示意框圖本實(shí)驗(yàn)的電路已由實(shí)驗(yàn)室事先連接好，PCI7483卡、信號放大卡、電路板等都已經(jīng)置于相應(yīng)的卡槽中，我們做的就只需要將測溫二極管與補(bǔ)償二極管用專線接入放大電路中【閃光法熱導(dǎo)儀軟件的安裝步驟】1.硬件安裝部分首先關(guān)機(jī),打開機(jī)箱，插入pci7483卡及信號放大卡，再開機(jī)，WINDOWSXP已經(jīng)安裝完成，只用將分辨率設(shè)定為1024*768。2.在C盤中建立文件夾C:\programfiles\hotec\pci7483,將隨A/D卡U盤中文件夾driver\pci7483中所有文件拷入上述文件夾中。3.將前述文件夾pci7483中windrvr.vxd和windrvr.sys兩文件拷入c:\windows\system和c:\windows\system32\drivers兩文件夾中。4.從控制面板【系統(tǒng)】設(shè)備管理器中安裝JUNGOpci7483,定制驅(qū)動程序位置

c:\programfiles\hotec\pci74835.點(diǎn)擊開始【運(yùn)行】瀏覽，找到“c:\programfiles\hotec\pci7483\wdreg.exe”,在其后加一空格，再加intall,確定，執(zhí)行之。6插入本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安裝U盤，點(diǎn)擊“setup”圖標(biāo)，自動安裝本系統(tǒng)軟件【數(shù)據(jù)采集和處理】系統(tǒng)原理系統(tǒng)包括微機(jī)、多通道高速AD/DA轉(zhuǎn)換卡、軟件等。本實(shí)驗(yàn)測量樣品溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律全過程僅十幾秒，時(shí)間短，使用微機(jī)能快速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。本實(shí)驗(yàn)對微機(jī)要求為80486以上，考慮到一機(jī)多用，選用了Intel800MHzCPU,128MB內(nèi)存，20GB的硬盤.脈沖光照射樣品，使樣品溫度升高，通過溫度傳感器，轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過放大電路放大后，由AD轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識別的數(shù)字信號，然后輸出相關(guān)參量，就可用Windows95/98操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。采集過程中DA轉(zhuǎn)換功能用于去觸發(fā)高壓脈沖電源，使氙燈極間放電發(fā)出閃光。2、采集過程（1）在桌面找到TC-Ⅱ閃光法熱導(dǎo)儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”點(diǎn)擊兩下，則進(jìn)入程序。從主菜單中選“文件”，在“文件”菜單中選“新建”項(xiàng)，則當(dāng)前屏幕的主窗

口中新開一個(gè)子窗口，包括數(shù)據(jù)區(qū)和圖像區(qū)。再選擇主菜單中“數(shù)據(jù)”項(xiàng)中的“選項(xiàng)”，設(shè)置AD/DA卡參數(shù)，再選擇“采集與報(bào)警”，確定后，再打開主菜單中“數(shù)據(jù)”，點(diǎn)擊“開始采集”項(xiàng)，則窗口中顯示出實(shí)時(shí)采集的“溫升-時(shí)間”圖像。若在“采集與報(bào)警”中設(shè)置“外觸發(fā)脈沖”為“5V”，高壓脈沖電源將自動觸發(fā)氙燈打火輻照樣品，同時(shí)采集一幅“溫升-時(shí)間”圖像，這就是由樣品背面采集的溫升曲線。（2）.測量待測樣品的溫升曲線，每隔10分鐘測一次，共測3次，求出值。樣品的厚度已在前面給出（因樣品已固定于樣品架中，不易取出測量），計(jì)算試樣材料的熱導(dǎo)率。密度和比熱容可利用廠家給出的材料樣品自己進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)室提供測量裝置如天平、尺、量熱器、溫度計(jì)等。（3）.對同一樣品在不加熱的情況下取其“溫升-時(shí)間”曲線（此曲線為“本底”），觀察由

于環(huán)境溫度的波動、二極管本身的熱噪聲等因素對測量結(jié)果的影響，給出評價(jià)。3、數(shù)據(jù)處理圖3紅線—原始數(shù)據(jù)，黃線—平滑后曲線，藍(lán)線—擬合后曲線，綠線—散熱修正后曲線1.直接從微機(jī)屏幕上用光標(biāo)讀取T0（樣品初始溫度）和Tm（樣品最大溫升），算出（Tm+T0）/2，再用光標(biāo)讀取對應(yīng)的t1/2。原始數(shù)據(jù)呈鋸齒型，這樣讀取顯然不準(zhǔn)確。2.用“數(shù)據(jù)平滑”功能平滑曲線，若噪聲不大可不用此功能，用“數(shù)據(jù)擬合”功能對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，從擬合曲線上求出t1/2。3.試從實(shí)驗(yàn)曲線估計(jì)試樣對環(huán)境的散熱給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的影響，程序中自動進(jìn)行“散熱修正”，讀取t1/2修正值。圖中散熱修正曲線顯然高于其它曲線。

4.由t1/2修正值及ρ,c,L計(jì)算λ。

5.誤差分析：⑴系統(tǒng)誤差：因?yàn)閷Νh(huán)境的散熱給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來影響；⑵隨機(jī)誤差：曲線的平滑程度不夠好；樣品并沒有被均勻加熱；噪聲的影響?！咀⒁馐马?xiàng)】1.使用時(shí)應(yīng)先開微機(jī)再開高壓脈沖電源開關(guān)，使用完畢應(yīng)先關(guān)高壓脈沖電源開關(guān)，再關(guān)微機(jī)。2.高壓脈沖電源電壓高達(dá)上萬伏，接線柱如有裸露部分不能用手觸摸；未接氙燈時(shí)不要接“觸發(fā)”，否則損壞電源；棕色電源線盡可能遠(yuǎn)離黑色測量專用線，不可交疊，否則將給測量帶來較大噪聲。3.不可帶電插拔連接到微機(jī)上的任何信號電纜。4.要保證測量準(zhǔn)確，弧光應(yīng)照在樣品的中心。5.千萬不要松動樣品盒上三個(gè)螺釘。此螺釘是固定盒中樣品位置的，松動后樣品位置偏移，若不再位于反光鏡的第二焦點(diǎn)處，樣品的輻射效率大受影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不理想。6.由模擬聚焦可知，要保證疝燈電極中心位于第一焦點(diǎn)處，否則樣品難以均勻受熱。【所遇問題及解決】（1）安裝硬件時(shí)不小心螺絲刀掉進(jìn)機(jī)箱里，開機(jī)時(shí)總出現(xiàn)錯(cuò)誤，這時(shí)只按ESC就可以了。（2）很難調(diào)節(jié)疝燈發(fā)光部位在第一焦點(diǎn)，用軟件中的“模擬聚焦”可知，偏離焦點(diǎn)微小距離可造成反光鏡會聚光線位置極大改變，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，多次擊穿紙使紙上變黑處大小與樣品等同，此處為最大光強(qiáng)處，且樣品能均勻受熱；（3）因?yàn)楣獗P里的文件被損壞而實(shí)驗(yàn)不能正常進(jìn)行，后來用恢復(fù)軟件恢復(fù)了數(shù)據(jù)并考入U(xiǎn)盤；（4）微機(jī)的光盤插口不好用，常常無法彈出，后來用U盤里的數(shù)據(jù)代替了光盤；（5）因?yàn)槊}沖疝燈掉下來在焊接時(shí)很難找到原來的準(zhǔn)確位置而影響了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集結(jié)果；（四）穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法比較穩(wěn)態(tài)法實(shí)驗(yàn)：缺點(diǎn)：由于實(shí)驗(yàn)過程太長，樣品與空氣接觸時(shí)間較長，對實(shí)驗(yàn)有較大的影響，再者，由于簡單儀器的使用，對實(shí)驗(yàn)的不準(zhǔn)確度較高，還有，手動操作實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)的加熱，散熱都不迅速，進(jìn)而對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定的影響。優(yōu)點(diǎn)：能直接觀察實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)變化，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行宏觀測量，有一種手動感，配有高靈敏度高分辨率的數(shù)字電壓表。非穩(wěn)態(tài)法實(shí)驗(yàn)：優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)經(jīng)電腦處理，數(shù)據(jù)精確，計(jì)算過程簡單，