导热系数的测试方法和装置

纵向热流法横向热流法第四章导热系数的测试方法和装置一、测试方法分类设计一种装置，把热流约束在规定的方向，又可把稳态法分为绝对法包括平板法，圆柱体法，圆球体法，椭球体法纵向热流法横向热流法按是否直接测定热流量或功率<比较法包括纵向热流发，径向热流法，比较器法二、稳态法qQ?L1、gradtF?t待测试样在一个不随时间而变化的温度场里，当达到热平衡后，一次测出导热系数公式中的值，即可得到导热系数。2、稳态法实施过程中面对的问题稳态法测量导热系数是面对的两个根本问题-要得到一个与建立物理模型是所作的假设相符合的热流图像1、设计一种装置，把热流约束在规定的方向（沿着一维方向流动）2、设计各种形状式样，以便于数学描述3、推导相应的数学公式描述便于制备的样品的热流图像-待测样品的热流速率1、测定流过试样的热量2、测定用来加热试样的热量3、同时测定全部或部分的输入热量和热损4、使热量等同通过待测样和标样三、非稳态法试样的温度分布随时间变化，测试时往往是使试样的某一部分温度作突然的或周期性的变化。测试中的标准样品：-必要性：为缩短研制周期并对测试装置的准确度或误差作必要的验证-入选标样的要求：在宽广温度范围有良好的物理化学稳定性，易于加工，价格合适-常用标样：一种是作为非金属材料即导热系数较小的一类材料的标准样品一一多晶AI2O3另一种是作为金属材料即导热系数较大的一类材料的标准样品一一阿姆可工业纯铁第三节平板法1、平板法是一种试样形状为圆盘形或方板型的纵向热流法，按其是否直接测定热流量或功率，又可分为绝对法和比较法两种。2、平板法优缺点：优点：试样容易制备，操作方便；具有相当高的测试准确度和实验温度。缺点：试样太大，加工困难，径向热损很难减小到最低限度，测试周期长。因此已被许多国家列为低导热系数材料的标准实验方法。平板法的物嘛棵』挫形舫板形试杵内产生-个沿纵向的稳定的磔热相再根据博立叶定律的数学式*9）,计算出导鹑系数a值。新于具有玩同我流的圆形单层平蟹试样,（42）或可可成;（4并）小——宜径加的试样准'妙拂的温差3、平板内纵向一维热流如何实现（1）利用试样的低导热系数特点，把试样做的很薄，直径很大。（2）把试样夹在带有加热器的热板和没有加热器的冷板间，试样冷面和热面的重心区域便有一较好的等温面，等温面之间产生均匀的热流。4、测定Q方法很多，直接测主发热器电功率，也可以在试样的冷面用水卡计测定。5、平板法也可以测纤维或粉末材料的导热系数，试样需要用试样匣，匣盖和匣底均用高热导的金属或碳化硅簿圆片做成。平板法还可以测导热系数较小的液态物质，注意防止对流传热，控制液体沿热流方向的厚度。6、导热系数的测试误差随着不同试样和不同温度而变化。一般，热导高的材料，在较低温。

度下测量时误差较大，反之则小。7、双平板法：用两块平板试样夹住主发热器，并增加了一个顶发热器。优点：在试样的冷面不再需要一厚层隔热材料，可使测试的温度提高。缺点：试样的尺寸比较大，为了防止侧向热损，需要在侧向进行精心的热保护。小小经验：1、温差电偶：又称热电偶。利用温差电现象制成的一种元件。利用两种能产生显著温差电现象的金属丝（如铜和康铜）a、b焊接而成。其一端置于待测温度t处，另一端（冷端）置于恒定的已知温度的物质（如冰水混和物）中。这样，回路中将产生一定的温差电动势，可由电流计直接读出待测温度值。温差电偶的主要用途是测量温度。2、二次仪表：接受由变送器、转换器、传感器（包括热电偶、热电阻）等送来的电或气信号，并指示所检测的过程工艺参数量值的仪表。第四节圆柱体法一、分类圆柱体法按其热流方向分包括径向热流法和纵向热流法。一般，测定高热导材料用纵向热流法较多；测定低热导材料用径向热流法比较多。无机非金属材料一般都具有较低的导热系数，常采用圆柱体法中的径向热流法。二、物理模型伽手Qlny-,M―Q——单位时间内通过长度为工的环形圆筒壁试样的热量;而和盛，成——分别为圆简壁内外半径和直径*>一圆值壁试样等温带的长度m分别为圆筒壁试样队和处的温度D分别为圆筒壁试样队和处的温度D三、减少热损1、把圆柱体做成长度与直径之比等于或大于8以上的无限圆柱体，这将带来制备上的困难；把较长的圆柱体试样制成许多块圆盘再叠合起来，沿着轴向叠合在一起的圆盘之间的接触热阻大大减少了沿着轴向的热损，同时也大大减小了制备的困难。2、可在试样的两端加各加一个保护加热器。3、在圆柱体径向热流法中还可以在圆柱体外表面加热，在内表面放置吸热器，使热流由圆柱体外表面向内流到内壁。4、优缺点优点：有相当高的测试准确度，实验装置比较简单，操作方便，测试温度比较高（这为啥会是优点呢？是不是因为高温比低温易于实现）缺点：试样制备比较困难，在一定程度上限制了它的范围。5、同心圆柱体法测试粉末、纤维和其它疏松材料的导热系数，试样被装填在两个同心的圆柱体的空腔中，在里面的加热器装有加热器或吸热器。

第五节圆球体法一、优缺点优点：由于发热器被试样完全包裹，热流几乎毫无损失的从空心圆球体的试样的内表面径向的传导到外表面。不需要任何防治热损的辅助加热器，结构简单，测试准确度比较高。缺点：试样很难制备；其等温面是高度弯曲的，不利于温度的正确测量，不利于放热电偶。二、模型1=1圆球体法的物理模型是*一个空心圆球体试样，受到一个均匀分布于球心的热源加热，伽球体诙样的内球面和外球面，以及同一直径的任一球面都是一个等温球叫花这鎏等温球画之间将产生一个从阈城中心沿径向到野球外囊面的稳定的一雄到流,」根据帽立叶定律的数学式02）可3算出它的导熟系数皿％我于具有径向热流的单层圆球壁试样,（4-2）式则转挽成即，Q—单位时间内通过空心g球握试样的热最，如S——分别为圆球壁的内径郡外径7'分别为圆球壁试样孚和告处的谧度。'三、同心圆球体法测试粉末、纤维和其它疏松材料的导热系数，试样被装填在两个同心的圆柱体的空腔中，在里面的加热器装有加热器或吸热器。1=1第六节椭球体法1、与众不同之处椭球体法引入了产生均匀热流的体积因子2、椭球体法外出了具有圆球体法的一切优点之外，还有一独特的优点在接近椭球短轴平面的等温面比较平坦，这对放置热电偶和提高温度的准确度是非常有利的。缺点：试样比圆球体法更难制备。第七节第七节纵向热流比较法一、绝对法和比较法1、定义绝对法：在测试中，都要直接测定流经试样的热流量，或者测定由主发热器产生的功率。第七节第七节纵向热流比较法比较法：只要测出待测试样与之相串联的已知导热系数的参考试样（不懂哎，这个已知的导热系数跟参考系数有啥关系吗？要求它们相等吗？）的温度梯度，并设法使流经试样和参考试样的热流量相等，就可计算出试样的导热系数。2、比较法原理。精品文档.•'■£廿1』豹(dr-16)(4；5)式中，浙一试样沿热流力向上所测温差』『之同的长度FF一~与热流相垂直的试样的冏积°脚注1和2分别表示参号试样和待测试样。精品文档.•'■£廿1』豹(dr-16)测试中，通常使待燃试祥和参考试样具有同样的微面积F和测温点距离』&则(4-16)式可简化为：(4-17)1_i.』—[

'、i莎(4-17)(1)比较法优缺点优点：比绝对法简单的多；设备比较简单，易于操作和控制试样。缺点：增加了测温点，附加了参考试样导热系数的测试误差，总的测试准确度不高；不易找到许多与导热系数相近的参考试样。(2)困难：如何防止在试样纵向因分布不均而引起的侧向热损原因及解决途径A、原因：待测试样和参考试样导热系数的差别解决途径：尽量选用导热系数和待测试样相近的参考试样B、原因：试样交界面之间的热阻解决途径：在试样界面间嵌入金属箔并在试样纵向加压，利用高温和压力下金属箔的延展性和高导热性质来改善界面的接触。第八节径向热流比较法1、分类：分为同轴圆柱体法和圆盘法2、同轴圆柱体法优点：特别适用于放射性物质导热系数的测试，围在待测试样的外壁的参考试样能起到对放射性的防护作用。3、圆盘法：一般用来测试导热系数比较低的试样。第九节热比较器法上述介绍的各种导热系数的测试方法，其共同特点是测试周期长，设备庞杂，操作也不方便。热比较器法能同时客服这些缺点，其也属于导热系数的比较法。使用范围：适用于固体物质、液体和气体导热系数的测