材料导热系数的测量

1材料导热系数的测量导热系数是反映材料的导热性能的重要参数之一，在工程技术方面是必不可少的。所以对导热系数的研究和测量就显得很有必要。金属材料的导热起主要作用的是自由电子的运动，无机非金属材料的导热则是通过晶格结构的振动（声子）来实现。目前测量导热系数的方法都是建立在傅立叶导热定律的基础上的，分为稳态法和动态法。本实验介绍用稳态法，稳态法是通过热源在样品内部形成稳定的温度分布后，再进行测量的方法。一、实验目的1.了解稳态法测无机非金属材料的导热系数的方法；2.掌握KY-DRX-RW型导热系数测试仪的硬件和软件操作规程；3.利用测试仪测量石英、陶瓷两种材料的导热系数。二、实验仪器上海实博实业有限公司生产的KY-DRX-RW型导热系数测试仪，主要由测试头、电器测控系统、冷却恒温水槽、计算机系统组成。各部件接线如图所示。测试头由加热器、连接样品的上下热极、冷却器、测量热电偶、加压系统组成。加热器采用不锈钢材料加工而成，内装内热式加热器，由高精度数显温控表控温，提供稳定的热极温度。上下热极由不锈钢制成，表面安装有热电偶，热极的作用是传递热量和测量热量。冷却器也是不锈钢材料加工而成，内有水槽，通过管导与外恒温水槽相连，利用外恒温水槽与冷却器的水循环，在冷却器中形成第二恒温场，提供上热极冷端稳定温度。测量热电偶由4支组成，分别测量上下热极表面的4个温度点，利用温度梯度计算热流量。加压系统用于消除试样与热升降手柄电脑显示器水管通讯线缆电源220V恒温槽测试主机背面电器测控系统2极的热阻。三、实验原理当物体内部各处的温度不均匀时，就会有热量从温度较高处传递到温度较低处，这种现象叫热传导现象。对于各向同性的物质，在稳定传热状态下有傅立叶定律：tSdxdTQ比例系数称导热系数，其值等于相距单位长度的两平面的温度相差为一个单位时，在单位时间内通过单位面积所传递的热量，单位是瓦·米-1·开－1（W·m-1·K-1）。本实验采用的是稳态法测量导热系数。试样被夹在两金属块之间，加压系统是经由一个升降压板和弹簧加压。加热单元是由铜或是其他高导热性的材料构成的，且包含有套筒或是相似的加热线圈。它用热绝缘材料（环氧FR－4）与周围的保温加热器相隔离。绝缘材料为5mm厚度。保温加热器不受压力，以确保所有的测量能量都传到高测量棒上。测量棒是由高热导性材料构成，并且具有平行的工作表面。冷却单元是一个金属盒，由恒温池对其冷却。实验时，一方面加热单元直接将热量通过样品下平面传入样品，另一方面冷却单元使传入样品的热量不断由样品的上平面散出，当传入的热量等于散出的热量时样品处于稳定导热状态，这时样品的上下平面的温度分别为一定的数值。此时，通过样品厚度、半径、温度梯度与通过样品的热流便可计算导热系数。具体计算过程如下：1、流过待测样品的热流)(*211212TTQdA)(*433434TTQdAQ12：流过下热极的热流，WQ34：流过上热极的热流，W12：下热极材料的热导，W/m·K34：上热极材料的热导，W/m·KTT21：下热极两个热电偶的温差TT43：上热极两个热电偶的温差A：垂直于热流方向的热极截面积，m2d：热极两温差电偶的距离，m公式中12＝34＝18.5W/m·K；d=0.05m；热极直径为30mm考虑到上热极（低温端）的热量损失较小，热流值更精确，因此用它表示流过待3测样品的热流，即：34QQ2、与试样相接触的高测量块的温度)(212TTddTTABHTH：与试样相接触的高测量块的温度，KT1：高测量块的较高温度，KT2：高测量块的较低温度，KdA：高温传感器间距，mdB：低温传感器到测量块低温表面的距离，m本实验中04.0ddAB3、与试样相接触的低测量块的温度)(433TTddTTCDCTH：与试样相接触的低测量块的温度，KT3：低位测量块的高温，KT4：低位测量块的低温，KdC：低温传感器间距，mdD：高温传感器到测量块高温表面的距离，m本实验中04.0ddCD4、试样导热系数的计算)(**TTCHAdQA：试样截面积，m2d：试样厚度，m四、实验内容和步骤1、装样：在样品的两个面以及上下热极的端面涂覆导热硅脂，将样品放置在上下热极之间进行合轴装配，然后加压（如是软性试样则不需加压），并将从热极和样品间挤出的多余硅脂擦掉。装上反射屏。2、设置恒温水槽温度，打开循环和加热开关。3、打开主机电源开关，启动计算机，进入导热系数测试程序。4、设置热极温度，启动加热。45、输入试样截面积和高度数据，按自动测试键，仪器进入测试状态，测试完成后自动显示导热系数数据。如结果需要保存请按保存键。6、重复上述1、5、步骤可反复测试试样。本实验中选取石英、陶瓷两种试样，利用导热系数测量仪测定它们的导热系数。7、数据记录：需要记录的数据包括样品的直径、厚度；实验停止后的T1、T2、T3、T4。五、数据记录和数据处理1、简述实验原理、实验过程；2、计算并比较两种材料的导热系数。六、思考题1、简述无机非金属材料热传导的微观机理。2、固体材料中的传热机构包括哪些？