CN102288641A - 一种高温导热系数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料导热系数领域，尤其涉及一种高温导热系数测量方法。本发明首先测试出厚度为δ的材料试样在“温差为T_H-T_C、平均温度为(T_H+T_C)/2”条件下的稳态传热热流密度q；然后再测试出第一步中的试样在“温差为T_o-T_C、平均温度为(T_o+T_C)/2”条件下的稳态传热热流密度q₁，其中T_o可以按照工程要求，设置为接近第一步中T_H的一个值，但T_o值必须小于T_H值；利用以上步骤获取的热流密度数据，结合(1)式进行“温差为T_H-T_o、平均温度为(T_H+T_o)/2”下的导热系数确定。本发明通过材料试样当中T₀温度层的选取，可以较为方便的调节测量精度，实现对不同温度区域导热系数的测量，特别当T₀接近热板温度时，可以实现高温热导系数的精确测量，其操作简单，方便，具有较大的实际应用价值。

Description

一种高温导热系数测量方法

技术领域

本发明涉及材料导热系数领域，尤其涉及一种高温导热系数测量方法。

背景技术

导热系数是固体材料基本的热物性参数之一，是评价材料隔热性能的重要物理参数。随着科学技术和工业的发展，材料导热系数被应用到了不同的领域，包括：航空航天、微电子技术、核能技术、新材料开发等高新技术领域，以及石油化工、钢铁冶金、建筑节能等工业领域。例如在军事领域，所有航天飞行器均经历发射、入轨、飞行乃至再入大气的过程，经受不同程度的气动加热阶段，必须采取有效的热控技术，进行隔热和防热，这其中就有赖于对隔热材料导热系数，尤其是高温导热系数的掌握。因此导热系数的确定对材料的科学研究、工程应用等都有着重要的意义。

导热系数的确定总体来说可以通过理论计算和实验测量这两种途径来实现，理论分析的方法是根据材料的导热机理来确定其导热物理模型，然后做出较为复杂的数学分析和计算来获得导热系数。另一种方法是通过实验来测量材料的导热系数，由于该方法具有直接且简单易行的优点，所以是目前确定材料导热系数的主要途径，而实验测量方法又大体可以分为两类：瞬态法和稳态法。

瞬态法是指实验测量过程中试样温度随时间变化，通过测量试样内某些点的温度变化情况以及其他相关参数，来确定试样的导热系数。主要有瞬态热线法、热带法、常功率热源法、激光闪烁法等。这些瞬态法具有测量时间短、精确性高、对环境要求低等特点，但也由于受到测量方法本身的限制，多用于测量导热系数趋于常数的材料或高导热特性的金属材料。

稳态法是指当试样上的温度分布达到稳定后，即试样内的温度分布是不随时间变化的稳定温度场，通过测定流过试样的热量和温度梯度等参数来确定试样的导热系数。主要有保护热板法、圆管法、热流计法。这些稳态法具有原理清晰，可准确、直接地获得导热系数绝对值等优点，多用于测量低导热特性的材料或导热系数与温度有明显相关性的材料。

隔热材料的导热系数一般较小，而且通常与温度有明显的相关性。因此对于隔热材料的导热系数测量往往采用稳态法，但是稳态法目前只适合中等温度(＜600℃)的导热系数测试。由于受到热流传感器耐高温性能差、试样冷面温度过高难于实现可靠控制等局限，目前的稳态法还无法简单、高效的测试隔热材料的高温导热系数。以稳态法中的热流计法为例对该问题进行描述如下：

目前，公知的热流计法是一种基于一维稳态导热原理的比较法。如图1所示，将厚度一定的方形试样插入两个平板间，在其垂直方向通入一个恒定的单向热流，使用校正过的热流传感器3测量通过试样的热流，热流传感器3在平板与试样2之间，和样品直接接触。当冷板4和热板1的温度稳定后，测得试样厚度及热、冷表面的温度和通过试样的热流密度，根据傅立叶导热定律即可确定试样的导热系数：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{q\δ}}{T_H-T_C}---\left(1\right)$

式中：λ——材料试样的导热系数，W/(m·℃)；

q——稳态传热条件下，通过材料试样的热流密度，W/m²；

δ——材料试样的厚度，m；

T_H——材料试样的热面温度，℃；

T_C——材料试样的冷面温度，℃。

根据(1)式得出的导热系数，是温度为T＝(T_H+T_C)/2下的导热系数。由于图1中的热流传感器耐高温性能差且试样冷面温度过高的话也难以实现稳定的可靠控制，因此通常试样的冷面温度T_C通常远小于试样热面温度T_H。这样造成如下两个突出问题：1)试样热、冷面温差T_H-T_C过大，造成导热系数测量误差较大。因为导热系数测试结果与温差T_H-T_C有密切关系，理论上温差T_H-T_C越小，导热系数测量结果越精确。2)由于试样冷面温度T_C较小，所以温度T＝(T_H+T_C)/2通常也较小。比如当试样热面T_H＝1000℃，试样冷面温度T_C＝100℃时，利用(1)式得到的导热系数对应的温度只能为T＝(T_H+T_C)/2＝550℃。由此可见，如果利用目前的热流计法，进行高温导热系数测试，就必须提高试样的热面温度，从而增加了测试难度与成本，同时扩大了温差T_H-T_C，使测量精度下降。

总而言之，目前的稳态法，尤其是热流计法不能实现隔热材料高温导热系数的快速、精确的测量。

发明内容

本发明的目的：本发明提供了一种能实现隔热材料高温导热系数的快速、精确测量的方法。

本发明的技术方案：一种高温导热系数测量方法，其包括如下步骤：

步骤一：测试出厚度为δ的材料试样在“温差为T_H-T_C、平均温度为(T_H+T_C)/2”条件下的稳态传热热流密度q；

步骤二：测试出步骤一中的材料试样在“温差为T_o-T_C、平均温度为(T_o+T_C)/2”条件下的稳态传热热流密度q₁，其中T_o为接近步骤一中T_H的一个值，但T_o值必须小于T_H值；

步骤三：计算得到材料试样A部分在“温差为T_H-T_o平均温度为(T_H+T_o)/2”下的导热系数：

${\mathrm{\λ}}_2=\frac{(q-q_1)\mathrm{\δ}}{T_H-T_o}$

其中q、q₁已经分别由步骤一、二获得，其中q、q₁已经分别由步骤一、二获得，δ为材料试样厚度、T_H为材料试样热面温度、T_C为材料试样的冷面温度、T_o为被测材料试样A部分下表面温度。

所述温度T_o通常取为以下范围：(T_H+T_C)/2＜T_o＜T_C。

材料试样A部分厚度δ₁的求解步骤如下：

步骤1：测试出厚度为δ的材料试样在“温差为T_H-T_C、平均温度为(T_H+T_C)/2”条件下的稳态传热热流密度q；

步骤2：对步骤一中的试样进行温差为T_o-T_C、平均温度为(T_o+T_C)/2的导热系数测试，

此时稳态传热条件下的热流密度测量值为q₁；依据公知的稳态热流计法导热系数测试公式可知，“温差为T_o-T_C、平均温度为(T_o+T_C)/2”条件下的材料试样导热系数为：

${\mathrm{\λ}}_1=\frac{q_1\mathrm{\δ}}{T_o-T_C};---\left(3\right)$

步骤3：确定材料试样B部分的厚度，

材料试样B部分的导热系数可以表示为：

${\mathrm{\λ}}_3=\frac{q{\mathrm{\δ}}_2}{T_o-T_C}---\left(4\right)$

由于材料试样B部分的温差、平均温度与步骤二中的相同，而且同为一种材料，因此材料试样B部分的导热系数λ₃与步骤二

所求的λ₁相等，即：

λ₃＝λ₁           (5)

把(3)式、(4)式带入(5)式得：

$\frac{q{\mathrm{\δ}}_2}{T_o-T_C}=\frac{q_1\mathrm{\δ}}{T_o-T_C}---\left(6\right)$

即：qδ₂＝q₁δ     (7)

所以材料试样B部分的厚度就为：

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{q_1\mathrm{\δ}}{q}---\left(8\right)$

其中：q、q₁已经由步骤一、二中得出；

步骤4：确定材料试样A部分的厚度，

材料试样A部分的厚度为：

${\mathrm{\δ}}_1=\mathrm{\δ}-{\mathrm{\δ}}_2=\mathrm{\δ}-\frac{q_1\mathrm{\δ}}{q}---\left(9\right).$

本发明的有益效果：本发明提出的导热系数测试新原理，可以实现材料试件热、冷两面温差的方便控制，因此在不改变传统导热系数稳态测试法所用装置的前提下，通过新原理的应用，就可以实现隔热材料的高温导热系数测试。而且通过T₀温度点的选取，可以较为方便的调节测量精度，实现对不同温度区域的测量，特别当T₀接近热板温度时，可以实现高温热导系数的精确测量，其操作简单，方便，具有较大的实际应用价值。

附图说明

图1是传统稳态热流计法导热系数测试方法的原理示意图；

图2是本发明提出的高温导热系数测试方法的原理示意图。

其中：1-是试验测试过程中用的热板、2-是被测材料试样、3-是热流密度测量传感器、4-是试验测试过程中用的冷板、T_H是被测材料试样的上表面温度(热面温度)、T_o是把被测材料试样分为A、B两部分的温度层、T_C是被测材料试样的下表面温度(冷面温度)、δ是材料试样的总厚度、δ₁是材料试样A部分厚度、δ₂是材料试样B部分厚度、q是稳态传热条件下的热流密度。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

请参阅图2，其是本发明高温导热系数测量方法的原理示意图。依据图2所示，在被测材料试样当中，总可以找到温度为T_o的材料层，且(T_H+T_C)/2＜T_o＜T_C。温度为T_o的材料层把材料试样分为A、B两部分。由于是稳态传热条件，因此通过材料试样A部分的热流密度同材料试样的整体热流密度q相等。由于通过材料试样A部分的热流密度、以及T_H、T_o已知，根据公式

${\mathrm{\λ}}_2=\frac{q{\mathrm{\δ}}_1}{T_H-T_o}---\left(2\right)$

式中：λ₂——材料试样A部分的导热系数，W/(m·℃)；

q——稳态传热条件下，通过材料试样的热流密度，W/m²；

δ₁——材料试样A部分的厚度，m；

T_H——材料试样A部分的上表面温度，℃；

T_o——材料试样A部分的下表面温度，℃。

可知，只要知道了A部分材料试样的厚度δ₁，就可得出材料试样在“温差为T_H-T_o、温度为(T_H+T_o)/2”下的导热系数。同时，由于T_H-T_o＜T_H-T_C，所以测量误差要小于传统的稳态热流计法；由于(T_H+T_o)/2＞(T_H+T_C)/2，所以导热系数对应的温度要大于传统的稳态热流计法。从而最终实现了材料试样高温导热系数的精确测量。

本发明高温导热系数测量方法的详细步骤可以表示如下：

步骤一：测试出厚度为δ的材料试样在“温差为T_H-T_C、平均温度为(T_H+T_C)/2”条件下的稳态传热热流密度q；

步骤二：测试出步骤一中的材料试样在“温差为T_o-T_C、平均温度为(T_o+T_C)/2”条件下的稳态传热热流密度q₁，其中T_o为接近步骤一中T_H的一个值，但T_o值必须小于T_H值；

步骤三：计算得到材料试样A部分在“温差为T_H-T_o平均温度为(T_H+T_o)/2”下的导热系数：

${\mathrm{\λ}}_2=\frac{(q-q_1)\mathrm{\δ}}{T_H-T_o}$

其中q、q₁已经分别由步骤一、二获得，其中q、q₁已经分别由步骤一、二获得，δ为材料试样厚度、T_H为材料试样热面温度、T_C为材料试样的冷面温度、T_o为被测材料试样A部分下表面温度。

下面对材料试样A部分厚度δ₁的求解步骤进行描述：

步骤1：利用传统稳态热流计法，测试出厚度为δ的材料试样在“温差为T_H-T_C、平均温度为(T_H+T_C)/2”条件下的稳态传热热流密度q；

步骤2：利用传统稳态热流计法，对步骤一中的试样进行温差为T_o-T_C、平均温度为(T_o+T_C)/2的导热系数测试。(其中T_o可以按照工程要求，设置为接近步骤一中T_H的一个值，但T_o值必须小于T_H值。)此时稳态传热条件下的热流密度测量值为q₁；

依据公知的稳态热流计法导热系数测试公式可知，“温差为T_o-T_C、平均温度为(T_o+T_C)/2”条件下的材料试样导热系数为：

${\mathrm{\λ}}_1=\frac{q_1\mathrm{\δ}}{T_o-T_C};---\left(3\right)$

步骤3：确定图2所示材料试样B部分的厚度。

依据公知的稳态热流计法导热系数测试公式可知，图2所示材料试样B部分的导热系数可以表示为：

${\mathrm{\λ}}_3=\frac{q{\mathrm{\δ}}_2}{T_o-T_C}---\left(4\right)$

由于图2中材料试样B部分的温差、平均温度与步骤二中的相同，而且同为一种材料，因此材料试样B部分的导热系数λ₃与步骤二所求的λ₁相等，即：

λ₃＝λ₁          (5)

把(3)式、(4)式带入(5)式得：

$\frac{q{\mathrm{\δ}}_2}{T_o-T_C}=\frac{q_1\mathrm{\δ}}{T_o-T_C}---\left(6\right)$

即：qδ₂＝q₁δ   (7)

所以材料试样B部分的厚度就为：

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{q_1\mathrm{\δ}}{q}---\left(8\right)$

其中：q、q₁已经由步骤一、二中得出。

步骤4：确定图2所示材料试样A部分的厚度。

材料试样A部分的厚度为：

${\mathrm{\δ}}_1=\mathrm{\δ}-{\mathrm{\δ}}_2=\mathrm{\δ}-\frac{q_1\mathrm{\δ}}{q}---\left(9\right)$

至此对图2材料试样A部分的厚度δ₁求解完毕。

把(9)式带入(2)式可得：

${\mathrm{\λ}}_2=\frac{q{\mathrm{\δ}}_1}{T_H-T_o}=\frac{q(\mathrm{\δ}-\frac{q_1\mathrm{\δ}}{q})}{T_H-T_o}=\frac{(q-q_1)\mathrm{\δ}}{T_H-T_o}---\left(10\right)$

其中：q、q₁已经由步骤一、二中得出，δ、T_H及T_o均已知，而且λ₂为图2材料试样A部分在“温差为T_H-T_o、平均温度为(T_H+T_o)/2”条件下的导热系数。

由于T_o根据实际选取，可以很接近T_H，因此不仅温差T_H-T_o很小，致使测量精度很高，而且(T_H+T_o)/2远远大于传统稳态热流计法中的(T_H+T_C)/2，致使测量的导热系数对应的平均温度很高，从而实现了隔热材料的高温导热系数精确测量。

从测试温度范围来讲：当图2所示材料试样的T_H＝1000℃、T_C＝100℃时，传统稳态热流计法测出的导热系数对应的平均温度仅为(T_H+T_C)/2＝550℃，而利用本发明提供的测试方法，当T_o选为800℃时，图2所示材料试样A部分的导热系数对应的平均温度为(T_H+T_o)/2＝900℃，从而大大提高了导热系数温度测试范围。

从测试精度来讲，当图2所示材料试样的T_H＝1000℃、T_C＝100℃时，传统稳态热流计法测出的导热系数对应的平均温度为(T_H+T_C)/2＝550℃，此时导热系数测试温差为：T_H-T_C＝900℃；为了比较测试精度，就必须在同一平均温度下测试材料的导热系数，因此再令T_H＝600℃、T_C＝100℃、T_o＝500℃，根据本发明提出的导热系数测试原理可知，此时图2材料试样A部分的导热系数对应的平均温度为：(T_H+T_o)/2＝550℃，但温差仅为T_H-T_o＝100℃。由于平均温度均为550℃，而传统热流计法导热系数测试温差为900℃，本发明的导热系数测试温差仅为100℃，根据“温差越小，测试精度越高”原理可知，本发明导热系数测试精度高于传统热流计法导热系数测试精度，至于精度具体高多少，不同的被测材料、不同的平均温度或温差有不同程度的测试精度提高。毋庸置疑的是，本发明通过T_o选取可以自由调节温差，来实现测试精度的提高。

在图2所示的被测材料试样当中，引入T_o温度层，把被测材料试样分为A、B两部分，通过测试材料试样局部高温区域A部分的导热系数来实现高温导热系数的测量，而且A部分的厚度通过计算推导得出，而不是直接测量(有时候在试验过程中A部分的厚度根本无法测量)，这使得本领域技术人员不太容易想的到。本领域的技术人员通常想的是怎么样提高图2所示的T_C值，来最终实现导热系数的高温测量，而T_C由于受到热流密度传感器工作温度较低的限制，因此T_C温度的提高不太容易实现。

利用本发明专利提出的导热系数测试新原理，可以实现材料试件热、冷两面温差(指图2所示的T_H-T_o)的方便控制，因此在不改变传统导热系数稳态测试法所用装置的前提下，通过新原理的应用，就可以实现隔热材料的高温导热系数测试。而且通过T₀温度点的选取，可以较为方便的调节测量精度，实现对不同温度区域的测量，特别当T₀接近热板温度时，可以实现高温热导系数的精确测量，其操作简单，方便，具有较大的实际应用价值。

Claims (3)

1.一种高温导热系数测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：测试出厚度为δ的材料试样在“温差为T_H-T_C、平均温度为(T_H+T_C)/2”条件下的稳态传热热流密度q；

步骤二：测试出步骤一中的材料试样在“温差为T_o-T_C、平均温度为(T_o+T_C)/2”条件下的稳态传热热流密度q₁，其中T_o为接近步骤一中T_H的一个值，但T_o值必须小于T_H值；

步骤三：计算得到材料试样A部分在“温差为T_H-T_o平均温度为(T_H+T_o)/2”下的导热系数：

${\mathrm{\λ}}_2=\frac{(q-q_1)\mathrm{\δ}}{T_H-T_o}$

其中q、q₁已经分别由步骤一、二获得，δ为材料试样厚度、T_H为材料试样热面温度、T_C为材料试样的冷面温度、T_o为被测材料试样A部分下表面温度。

2.根据权利要求1所述的高温导热系数测量方法，其特征在于：所述温度T_o通常取为以下范围：(T_H+T_C)/2＜T_o＜T_C。

3.根据权利要求2所述的高温导热系数测量方法，其特征在于，材料试样A部分厚度δ₁的求解步骤如下：

步骤1：测试出厚度为δ的材料试样在“温差为T_H-T_C、平均温度为(T_H+T_C)/2”条件下的稳态传热热流密度q；

步骤2：对步骤一中的试样进行温差为T_o-T_C、平均温度为(T_o+T_C)/2的导热系数测试，

此时稳态传热条件下的热流密度测量值为q₁；依据公知的稳态热流计法导热系数测试公式可知，“温差为T_o-T_C、平均温度为(T_o+T_C)/2”条件下的材料试样导热系数为：

${\mathrm{\λ}}_1=\frac{q_1\mathrm{\δ}}{T_o-T_C};---\left(3\right)$

步骤3：确定材料试样B部分的厚度，

材料试样B部分的导热系数可以表示为：

${\mathrm{\λ}}_3=\frac{q{\mathrm{\δ}}_2}{T_o-T_C}---\left(4\right)$

由于材料试样B部分的温差、平均温度与步骤二中的相同，而且同为一种材料，因此材料试样B部分的导热系数λ₃与步骤二所求的λ₁相等，即：

λ₃＝λ₁             (5)

把(3)式、(4)式带入(5)式得：

$\frac{q{\mathrm{\δ}}_2}{T_o-T_C}=\frac{q_1\mathrm{\δ}}{T_o-T_C}---\left(6\right)$

即：qδ₂＝q₁δ       (7)

所以材料试样B部分的厚度就为：

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{q_1\mathrm{\δ}}{q}---\left(8\right)$

其中：q、q₁已经由步骤一、二中得出；

步骤4：确定材料试样A部分的厚度，

材料试样A部分的厚度为：

${\mathrm{\δ}}_1=\mathrm{\δ}-{\mathrm{\δ}}_2=\mathrm{\δ}-\frac{q_1\mathrm{\δ}}{q}---\left(9\right).$

Images