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
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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:
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
:流过下热极的热流,W
:流过上热极的热流,W
:下热极材料的热导,W/m·K
:上热极材料的热导,W/m·K
:下热极两个热电偶的温差
:上热极两个热电偶的温差
:垂直于热流方向的热极截面积,m2 d:热极两温差电偶的距离,m
公式中
=
= 18.5 W/m·K;d = 0.05 m;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测样品的热流,即:
2、与试样相接触的高测量块的温度
:与试样相接触的高测量块的温度,K
:高测量块的较高温度,K
:高测量块的较低温度,K
:高温传感器间距,m
:低温传感器到测量块低温表面的距离,m
本实验中
3、与试样相接触的低测量块的温度
:与试样相接触的低测量块的温度,K
:低位测量块的高温,K
:低位测量块的低温,K
:低温传感器间距,m
:高温传感器到测量块高温表面的距离,m
本实验中
4、试样导热系数的计算
:试样截面积,m2 d:试样厚度,m
四、实验
内容
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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。
5、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
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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?