專利名稱：測量高導性熱性固體材料熱導率的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及固體材料熱導率測定的熱物理科學領域和材料科學領域，特別針對于高導熱性材料(如金屬及合金)的熱導率的測定方法。
背景技術：
材料熱導率是材料的重要物理性質，尤其新材料的熱導率是熱物理科學領域和材料科學領域共同關注的基礎數據之一，因為它會直接影響材料或結構的導熱性能和力學性能。根據熱傳導理論，熱導率λ可以通過測定某個截面的熱流密度&和該處的溫度
丄
梯度，依據傅里葉定律計算出來，即A = ^―。因此，在熱導率測定中的關鍵問題就是準
grad t
確量熱和測溫。測定熱導率的基本原理都是將被測材料置于特定的邊界條件下，測定通過的熱流量以及特征點(或面)上的溫度或溫度變化率，再根據在該邊界條件下熱傳導方程的解計算出熱導率。例如，常用的穩態平板法就是使被測材料置于一維的穩態導熱條件下，測量通過的熱流密度和兩側的溫差，在根據一維穩態導熱的計算公式獲得熱導率；而準穩態平板法則是根據恒熱流加熱條件下，在準穩態階段通過測定加熱面和絕熱面之間的溫差以及加熱面的熱流密度來計算出熱導率。測定熱導率的方法可以依據其測量原理分為穩態法和非穩態法。穩態法包括穩態平板法、穩態圓管法、穩態圓球法、穩態熱線法和穩態長桿法等。穩態法的優點是測量原理簡單，精度較高，設備的主體結構易于制造，其缺點是測試周期較長，并且為了準確量熱和維持穩態的工況而采取的輔助措施使得設備及控制系統比較復雜。非穩態法包括正規工況平板法、準穩態平板法、準穩態圓管法、瞬態熱線法、(激光)脈沖熱源法以及由瞬態熱線法衍生出的3ω方法等。非穩態方法的主要優點是測試周期短、設備結構簡單等，但由于加熱器及溫度傳感器的熱慣性的影響，量熱和溫度測量精度不高，使熱導率的測量精度不及穩態法。相對于隔熱材料而言，高導熱性材料熱導率的測定比較困難。為了抑制傳感器誤差和接觸熱阻對測量得到的溫差的影響，必須設法使試件中通過很大的熱流密度才能在兩端建立起足夠的溫差。例如在IOmm厚度的鋁板兩側建立起5°C的溫差需要施以IlSkW ·πΓ2 的熱流密度，而為了控制原理誤差，試件又不能太厚，這在實際測量中是非常困難的。長桿法雖可以提高兩端的溫差，但是長桿的邊界難以控制，散熱造成的量熱誤差亦很難估算。非穩態方法中的(激光)脈沖熱源法及3ω方法可以用于高導熱材料熱導率的測量，但系統實現比較復雜，造價較高。綜上所述，目前缺乏簡便易行的測量高導熱材料熱導率的方法和儀器。 發明內容[0008]技術問題本實用新型的目的在于提供一種測量高導性熱性固體材料熱導率的裝置，通過測量施加給薄板試件局部的熱功率及在試件上形成的最大溫差計算出熱導率。技術方案為解決上述技術問題，本實用新型提出一種測量高導熱性固體材料熱導率的測量裝置，該裝置包括相對設置的第一隔熱材料和第二隔熱材料，夾設在第一隔熱材料和第二隔熱材料之間的被測的高導熱試件，設在被測的高導熱試件上的薄膜加熱器， 設在薄膜加熱器中心的中間溫度傳感器，設在被測的高導熱試件邊緣的邊緣溫度傳感器， 其中，被測的高導熱試件的中部覆蓋薄膜加熱器，高導熱試件、薄膜加熱器、中間溫度傳感器、邊緣溫度傳感器被厚度均勻的隔熱材料覆蓋。有益效果根據本實用新型提出高導熱性固體材料熱導率的測定方法原理可靠、 算法簡單；依據本實用新型制造的儀器成本低廉，所采用材料及儀表在市場上極易獲得。根據本實用新型能測定高導熱性固體材料的熱導率。由于測試原理本身對于周邊散熱條件的不敏感性，因而可以達到較高的測量精度。根據本實用新型所制造的測試裝置具有結構簡單、計算快捷、測量周期短和制造成本低廉的優點，極便于制成實現小型化、智能化的桌面式或便攜式儀器。
圖1是本實用新型的一維薄板或細桿試件的測量系統結構示意圖。圖2是本實用新型的圓盤的測量系統結構示意圖。圖3是本實用新型的二維薄板測量系統原理示意圖。圖4是本實用新型的基本系統結構。以上的圖中有被測的高導熱試件1，隔熱材料2、第一隔熱材料21、第二隔熱材料 22、薄膜加熱器3、中間溫度傳感器4、邊緣溫度傳感器5，可調直流穩壓電源6，直流電壓表 7，直流電流表8，溫度檢測儀9和溫度檢測儀10。
具體實施方式
下面將參照附圖對本實用新型進行說明。該裝置包括相對設置的第一隔熱材料21和第二隔熱材料22，夾設在第一隔熱材料21和第二隔熱材料22之間的被測的高導熱試件1，設在被測的高導熱試件1上的薄膜加熱器3，設在薄膜加熱器3中心的中間溫度傳感器4，設在被測的高導熱試件1邊緣的邊緣溫度傳感器5，其中，被測的高導熱試件1的中部覆蓋薄膜加熱器3，高導熱試件1、薄膜加熱器3、中間溫度傳感器4、邊緣溫度傳感器5被厚度均勻的隔熱材料2覆蓋。采用緊貼在薄板(或細桿)試件和隔熱材料之間的薄膜加熱器對試件局部進行加熱并計量加熱功率，用溫度傳感器和二次儀表測量最高溫度點和最低溫度點的溫度，再根據加熱功率、兩點上測得的溫差、試件和加熱器的幾何尺寸計算出試件的熱導率。在圖1所示的橫截面積為A、周長為P、總長為2L+2H的薄板(或細桿)試件，由中部長度為2L、總功率為Pw(熱流密度q = PW/LP)的薄膜加熱器加熱，試件通過保溫材料向環境散熱。設通過保溫材料向環境散熱的折算對流傳熱系數為h，根據熱傳導理論，該試件上的過余溫度θ的分布遵循以下微分方程
UPρ TΨΘ--L2O + ^- = 0 加熱段
XA XA(1) hpVM-^ZV = O 非加熱段
XA由于式(1)是線性方程，在一端為對稱邊界條件(絕熱邊界條件)和另一端第三
類齊次邊界條件下，它的解和以下過余溫度θ *的方程在相同邊界條件下的解成g倍數
XA
關系
AA(2) hpV2C-^Z2C=O非加熱段
XA即沒= 纊，同時立。其中Δθ χ和 *分別是θ和Θ*
ΑΛ.ΑΛ.max
在試件上的最大值和和最小值之差，即試件對稱面上最高溫度點和端部的最低溫度點的溫差。
hp
= 0加熱段
AA
令m =、/^，可以通過解析方法，根據邊界條件求出方程( 的過余溫度。由溫 \ AA
度分布的解可知對稱面上最高溫度點和端部的最低溫度點的溫差僅與m，f有關，即ΑΘ* = /(W,—)(3)
maxL在高導熱系數、薄板(或細桿)及因保溫材料的存在而導致的低折算對流傳熱
系數h的條件下，^ = 是很小的值。通過數學理論可以證明，在m = 0 2的
\ AA
范圍內，m的變化對Δ《κ的影響小于0.5%，可以忽略不計。對于圖1中的薄板或細
宇+ Ο +斗好+J
桿結構，可用A^= ￡U J￡~^近似表達式(3)；而對于圖2中圓盤型
2 - + - + 1 {PL L J
"+2" η Η+ ) + Η+ }η Η+ ) 結構，沾丄1 U,〈 ^ < U 八當時，對于圖1中的結構，
2<2f+f+iJ f>5
δ(啫—竽S:=^；而對于圖2圓盤型結構，， A=f^=^rln〔*+1)，其中5為試件的厚度。[0035]以上測試原理不僅適用于圖1中的一維薄板(或細桿)的結構和圖2中的圓盤結構，同時也適用于圖3中的二維規則結構或其它不規則的薄板結構。根據對薄板試件的熱
傳導的理論分析，熱導率
權利要求1. 一種測量高導熱性固體材料熱導率的測量裝置，其特征在于該裝置包括相對設置的第一隔熱材料(21)和第二隔熱材料(22)，夾設在第一隔熱材料(21)和第二隔熱材料 (22)之間的被測的高導熱試件(1)，設在被測的高導熱試件(1)上的薄膜加熱器(3)，設在薄膜加熱器(3)中心的中間溫度傳感器(4)，設在被測的高導熱試件(1)邊緣的邊緣溫度傳感器(5)，其中，被測的高導熱試件(1)的中部覆蓋薄膜加熱器(3)，高導熱試件(1)、薄膜加熱器(3)、中間溫度傳感器(4)、邊緣溫度傳感器(5)被厚度均勻的隔熱材料(2)覆蓋。
專利摘要本實用新型公開了一種測量高導性熱性固體材料熱導率的測量裝置，其特征在于該裝置包括相對設置的第一隔熱材料(21)和第二隔熱材料(22)，夾設在第一隔熱材料(21)和第二隔熱材料(22)之間的被測的高導熱試件(1)，設在被測的高導熱試件(1)上的薄膜加熱器(3)，設在薄膜加熱器(3)中心的中間溫度傳感器(4)，設在被測的高導熱試件(1)邊緣的邊緣溫度傳感器(5)，其中，被測的高導熱試件(1)的中部覆蓋薄膜加熱器(3)。本實用新型還提供了一種測量高導熱性固體材料熱導率的方法。本實用新型提出的裝置和方法能測定高導熱性固體材料的熱導率，并且達到較高的測量精度。
文檔編號G01N25/20GK202275065SQ20112030448
公開日2012年6月13日 申請日期2011年8月22日 優先權日2011年8月22日
發明者唐慕萱, 張輝 申請人:東南大學