CN102798645B - 一种导热系数及接触热阻测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导热系数及接触热阻测试装置，包括控制系统、支架3、第一滚珠套筒4-1、第二滚珠套筒4-2、滑动螺杆5、定向钢球和压力传感器6、辅助加热器7、第一温度传感器8-1、第二温度传感器8-2、真空罩9、试件测试区10、应力加载装置、真空抽放气口13、进出水口14、数据采集系统、密封底盘16，支撑板17，水平调节杆20和加热丝21，其中热流量计22、定向钢球和压力传感器6、支架3、支撑板17和加热制冷套1上下对称。本发明通过在纵轴方向布置辅助加热器来减小轴向的热损失，通过在测试区周围布置可控温防辐射屏模拟测试区的温度梯度来减小横截面方向的热损失。

Description

一种导热系数及接触热阻测试装置
技术领域
本发明属于测定导热系数和接触热阻领域，具体涉及一种可用于准确测定材料导热系数及接触热阻的装置。
背景技术
导热系数的测定大致可分为稳态法和非稳态法。所谓稳态法，就是对待测物质一个恒定的温度差，然后再测量在给定温差下形成的热流，通过傅里叶导热定律即可求得物质的导热系数；所谓非稳态法，一般采用一个瞬态的热源进行加热，然后测量待定物质的动态温度响应，通过分析温度变化速率与导热系数之间的关系从而求得该物质的导热系数。对于固态物质的非稳态测定方法，热线法一般用于对液态物质导热系数的测定，一维热传导反问题参数辨识法通常只能在非常简单的边界条件下才能获得解析解，所以通常需采用离散化的数值方法求解，而对于一维温度差的测量，需要保证对温度的测量准确度和响应时间以及材料的物性等参数的测量要求较高，难以保证对物质的导热系数测量准确度。通常稳态法测定导热系数为了形成一个恒定可测量的温度差，需要加热较长的时间，而多个温度测量传感器与试件之间不可避免的存在各异的接触热阻，也就是试件的实际测量点的温度与测量值必然不一致，对于这一问题稳态法和非稳态法都没有很好的解决，从而影响对导热系数的测量精度。
接触热阻是一个受材料物性、机械特性、表面形貌、接触压力、温度、间隙材料等众多因素影响的参数。根据实验热流是否稳定，一般把接触热阻测量方法分为瞬态法和稳态法。瞬态法也是一种常用的接触热阻实验测量方法，其主要包括激光光热测量法、热成像法、“flash”闪光法、激光光声法等，其中激光光热测量法又包含调制光热法和热扫描法，调制光热法又有光热幅值法、光热相位法和脉冲法之分。虽然各种瞬态法虽宜于快速测量且可测量小到纳米数量级的薄膜，但其测量过程易受各种因素影响，且公式推导相对复杂，测量精度也较难保证。因此，界面接触热阻测量方法最常用的是稳态法：在两接触样品上维持一定的温差，测量两样品轴向上的温度值，再由傅里叶定律外推至接触界面处从而得到界面上的温差；热流量可由热流量计测量或由样品材料的热导率和温度梯度计算得到，从而 R = |T1-T2|/Q。稳态接触热阻测试方法多是和美国国家标准ASTM D5470-06的测试标准设备相类似，但多有文献指出由于温度测量的不确定性误差和热损失误差很难保证对界面接触热阻有足够高的测量精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于准确测定材料导热系数及接触热阻的装置，实现准确测定材料的导热系数及接触热阻。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种导热系数及接触热阻测试装置，包括控制系统、支架、第一滚珠套筒、第二滚珠套筒、滑动螺杆、定向钢球和压力传感器、辅助加热器、温度传感器、真空罩、试件测试区、应力加载装置、真空抽放气口、进出水口、数据采集系统、密封底盘，支撑板，水平调节杆，加热丝；其特征在于：应力加载装置由液压缸和压力动力源组成，液压缸位于压力动力源的上方；数据采集系统由温度传感器、密封数据接头组成，温度传感器通过导线与密封数据接头相连；控制系统由可控温防辐射屏、加热制冷套和控制防辐射屏加热丝组成；试样测试区包括测试试件，其中定向钢球和压力传感器、支架、支撑板和加热制冷套上下对称，定向钢球和压力传感器固定在支撑板中心位置，应力加载装置通过支架定位并和定向钢球以及压力传感器接触，为试样加载应力，第一滚珠套筒设置在滑动螺杆的上下两端与支撑板固定，第二滚珠套筒设置在滑动螺杆的底部并与支架固定，辅助加热器位于支撑板和加热制冷套之间，试样测试区位于上下对称的两个加热制冷套之间，两个可控温防辐射屏位于试样测试区的外部，真空罩位于整个装置的外部固定于密封底盘上，滑动螺杆固定于密封底盘的上部，真空抽放气口、进出水口和密封数据接头均设置在密封底盘上，液压缸贯穿密封底盘的中心，密封底盘上设置有四组水平调节杆。
本发明与现有技术相比，其显著优点：通过上下对称布置的制冷加热套采用正反双向热流测试或恒温温度修正来消除由于温度测量造成的不确定性误差，从而提高测试精度。通过在纵轴方向布置辅助加热器来减小轴向的热损失，通过在测试区周围布置可控温防辐射屏模拟测试区的温度梯度来减小横截面方向的热损失，从而提高测试精度。 
附图说明
图1 为本发明一种测试装置的主视图。
图2为本发明的可控温防辐射屏2的截面图。
图3为本发明的试件测试区10的示意图。
图4 为本发明的系统控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1、图2和图3，一种导热系数及接触热阻测试装置，包括控制系统、支架3、第一滚珠套筒4-1、第二滚珠套筒4-2、滑动螺杆5、定向钢球和压力传感器6、辅助加热器7、第一温度传感器8-1、第一温度传感器8-2、真空罩9、试件测试区10、应力加载装置、真空抽放气口13、进出水口14、数据采集系统、密封底盘16，支撑板17，水平调节杆20、加热丝21。
应力加载装置由液压缸11和压力动力源12组成，液压缸11位于压力动力源12的上方；数据采集系统由第一温度传感器8-1、密封数据接头15组成，第一温度传感器8-1通过导线与密封数据接头15相连；控制系统由可控温防辐射屏2、加热制冷套1和控制防辐射屏加热丝R2组成；试样测试区10由测试试件23和热流量计22（根据需要采用）组成，其中热流量计22、定向钢球和压力传感器6、支架3、支撑板17和加热制冷套1上下对称，定向钢球和压力传感器6固定在支撑板17中心位置，应力加载装置通过支架3定位并和定向钢球以及压力传感器6接触，为试样加载应力，第一滚珠套筒4-1设置在滑动螺杆5的上下两端与支撑板17固定，第二滚珠套筒4-2设置在滑动螺杆5的底部并与支架3固定，辅助加热器7位于支撑板17和加热制冷套1之间，试样测试区10位于上下对称的两个加热制冷套1之间，两个可控温防辐射屏2位于试样测试区10的外部，真空罩9位于整个装置的外部固定于密封底盘16上，滑动螺杆5固定于密封底盘16的上部，真空抽放气口13、进出水口14和密封数据接头15均设置在密封底盘16上，液压缸11贯穿密封底盘16的中心，密封底盘上设置有四组水平调节杆20。可控温防辐射屏2内嵌有至少3组加热丝21和至少3组第二温度传感器8-2。真空罩9是为了辅助系统做绝热处理，减小热流损失。
结合图3，系统的控制原理为：可控温防辐射屏2为一中空的圆柱状物体，在外圆周截面上嵌有加热丝21，内圈在加热丝21的相应位置上布置有第二温度传感器8-2，可控温防辐射屏2的低吸收率材料制备，表面光洁处理。
结合图3，试件测试区10由上下对称布置的热流量计22和待测试件23组成，热流量计22和待测试件23上都等距插装有第一温度传感器8-1，在测试导热系数时放置1个待测试件23；测试接触热阻时对称放置两个待测试件23并以中间接触界面为对称面上下对称；测试热界面材料时在上下对称布置的热流量计22的接触界面中放置热界面材料。
结合图4，系统的控制原理为：在放置好试件测试区10后，并包括绝热材料后，根据需要选择加载压应力，连接好数据接线并罩好真空罩9后，通过真空抽放气口13给真空罩9内部的密闭空间抽真空，待真空罩9内部真空度达到10Pa以下，根据需要选择上下布置的加热制冷套1中一个进行加载热流量，另一个恒温冷却，为减小纵轴方向的热流损失，在加载热流量的对应辅助加热器7位置根据加载热流量的加热制冷套1的温度控制加热功率，以调节对应辅助加热器7和加热制冷套1保持相同的温度；为减小试样横截面方向的热损失，根据试样测试区10上下对称布置的热流量计22和待测试件23上的第一温度传感器8-1的测量温度，控制可控温防辐射屏2在同一横截面方向的加热丝21的加热功率，以调节保持同一横截面方向的相应热流量计22和待测试件23上的第一温度传感器8-1在相同的温度，以此维持和热流量计22和待测试件23的同一温度梯度。
结合图4工作过程如下：
测试导热系数时，在试样测试区10放置一个上下截面一致的圆柱状或方形待测试件23，待测试件23上的第一温度传感器8-1布置位置以中间截面为对称面上下对称。为更精确的测量流过待测试件23的热流量，也可在待测试件23的顶端和低端对称布置两个热流量计22。再连接好第一温度传感器8-1的接线，在试样测试区10周围放置绝热材料后，通过应力加载装置的液压缸11和压力动力源12给一小压力以保证上下布置的加热制冷套1、热流量计22和待测试件23保持良好接触。连接好数据接线并罩好真空罩9后，通过真空抽放气口13给真空罩9内部的密闭空间抽真空，待真空罩9内部真空度达10Pa以下，根据需要选择上下布置的加热制冷套1中一个进行加载热流量，另一个恒温冷却，为减小纵轴方向的热流损失，在加载热流量的对应辅助加热器7位置根据加载热流量的加热制冷套1的温度控制加热功率，以调节对应辅助加热器7和加热制冷套1保持相同的温度；为减小试样横截面方向的热损失，根据试样测试区10上下对称布置的热流量计22和待测试件23上的第一温度传感器8-1的测量温度，控制可控温防辐射屏2在同一横截面方向的加热丝21的加热功率，以调节保持同一横截面方向的相应热流量计22和待测试件23上的第一温度传感器8-1在同一相同的温度，以此维持和热流量计22和待测试件23的同一温度梯度。等各温度测试点的测量温度达到稳态后采集各测量温度并进行数据处理。
测试固体与固体之间的接触热阻时，在试样测试区10放置两个上下截面一致的圆柱状或方形待测试件23，每个待测试件23上的第一温度传感器8-1布置位置以两个待测试件23的接触界面的截面为对称面上下对称。为更精确的测量流过待测试件23的热流量，也可在待测试件23的顶端和低端对称布置两个热流量计22。再连接好第一温度传感器8-1的接线，在试样测试区10周围放置绝热材料后，通过应力加载装置的液压缸11和压力动力源12给两个接触的待测试件23的接触界面保持一个恒定的给定压力。连接好数据接线并罩好真空罩9后，通过真空抽放气口13给真空罩9内部的密闭空间抽真空，待真空罩9内部真空度达到10Pa以下，根据需要选择上下布置的加热制冷套1中一个进行加载热流量，另一个恒温冷却，为减小纵轴方向的热流损失，在加载热流量的对应辅助加热器7位置根据加载热流量的加热制冷套1的温度控制加热功率，以调节对应辅助加热器7和加热制冷套1保持相同的温度；根据试样测试区10上下对称布置的热流量计22和待测试件23上的第一温度传感器8-1的测量温度，控制可控温防辐射屏2在同一横截面方向的加热丝21的加热功率，以调节保持同一横截面方向的相应热流量计22和待测试件23上的第一温度传感器8-1在相同的温度，以此维持和热流量计22和待测试件23的同一温度梯度。等各温度测试点的测量温度达到稳态后采集各测量温度并进行数据处理。
测试热界面材料的接触热阻时，在试样测试区10放置两个上下截面一致的圆柱状或方形的热流量计22，每个热流量计22上的第一温度传感器8-1布置位置以两个热流量计22的接触界面的截面为对称面上下对称，在热流量计22的接触界面处放置热界面材料。再连接好第一温度传感器8-1的接线，在试样测试区10周围放置绝热材料后，通过应力加载装置的液压缸11和压力动力源12给热流量计22的接触界面保持一恒定的给定压力。连接好数据接线并罩好真空罩9后，通过真空抽放气口13给真空罩9内部的密闭空间抽真空，待真空罩9内部真空度达到10Pa以下，根据需要选择上下布置的加热制冷套1中一个进行加载热流量，另一个恒温冷却，为减小纵轴方向的热流损失，在加载热流量的对应辅助加热器7位置根据加载热流量的加热制冷套1的温度控制加热功率，以调节对应辅助加热器7和加热制冷套1保持相同的温度；为减小测试区10的横截面方向的热损失，根据试样测试区10上下对称布置的热流量计22上的第一温度传感器8-1的测量温度，控制可控温防辐射屏2在同一横截面方向的加热丝21的加热功率，以调节保持同一横截面方向的相应热流量计22上的第一温度传感器8-1在同一相同的温度，以此维持和热流量计22的同一温度梯度。等各温度测试点的测量温度达到稳态后采集各测量温度并进行数据处理。为测量热界面材料的接触电阻，在两个上下对称布置的热流量计22上的相应位置可插装一电极，通过一辅助电源和分流器以及电压表监测通过的电流量和电压值，继而得到热界面材料的接触电阻。在两个热流量计22的接触界面处安装有原位测量系统以用于测量热界面材料在压力下的变形量以及其厚度。

Claims (8)

1.一种导热系数及接触热阻测试装置，包括控制系统、支架3、第一滚珠套筒4-1、第二滚珠套筒4-2、滑动螺杆5、定向钢球和压力传感器6、辅助加热器7、第一温度传感器8-1、第二温度传感器8-2、真空罩9、试件测试区10、应力加载装置、真空抽放气口13、进出水口14、数据采集系统、密封底盘16，支撑板17，水平调节杆20和加热丝21；其特征在于：应力加载装置由液压缸11和压力动力源12组成，液压缸11位于压力动力源12的上方；数据采集系统由第一温度传感器8-1、密封数据接头15组成，第一温度传感器8-1通过导线与密封数据接头15相连；控制系统由可控温防辐射屏2、加热制冷套1和控制防辐射屏加热丝R2组成；试样测试区10包括测试试件23，其中定向钢球和压力传感器6、支架3、支撑板17和加热制冷套1上下对称，定向钢球和压力传感器6固定在支撑板17中心位置，应力加载装置通过支架3定位并和定向钢球以及压力传感器6接触，为试样加载应力，第一滚珠套筒4-1设置在滑动螺杆5的上下两端与支撑板17固定，第二滚珠套筒4-2设置在滑动螺杆5的底部并与支架3固定，辅助加热器7位于支撑板17和加热制冷套1之间，试样测试区10位于上下对称的两个加热制冷套1之间，两个可控温防辐射屏2位于试样测试区10的外部，滑动螺杆5固定于密封底盘16的上部，真空抽放气口13、进出水口14和密封数据接头15均设置在密封底盘16上，液压缸11贯穿密封底盘16的中心，密封底盘上设置有四组水平调节杆20。
2.根据权利要求1所述的一种导热系数及接触热阻测试装置，其特征在于：可控温防辐射屏2为一中空的圆柱状物体，在外圆周截面上嵌有加热丝21，内圈在加热丝21的相应位置上布置有第二温度传感器8-2，可控温防辐射屏2内嵌有至少3组加热圈和至少3组第二温度传感器8-2。
3.根据权利要求1所述的一种导热系数及接触热阻测试装置，其特征在于：试样测试区10竖直轴向放置至少一个待测试件23，可根据需要放置热流量计22，热流量计22和试件23上都等距插装有第一温度传感器8-1，热流量计22位于待测试件23的两端，上下对称布置。
4.根据权利要求1所述的一种导热系数及接触热阻测试装置，其特征在于：试样测试区10的试样上温度传感器8探头位置以中心位置对称。
5.根据权利要求1所述的一种导热系数及接触热阻测试装置，其特征在于：所述的应力加载装置采用液压控制的方式或采用直线电机的压力控制方式。
6.根据权利要求1所述的一种导热系数及接触热阻测试装置，其特征在于：所述的第一温度传感器8-1的位置在测试导热系数时是以试样长度方向上的中心截面位置为对称面。
7.根据权利要求1所述的一种导热系数及接触热阻测试装置，其特征在于：所述的第一温度传感器8-1的位置在测试接触热阻时是以两试样纵轴方向上的接触界面截面位置为对称面，两试样上的测试点位置完全对称。
8.根据权利要求1所述的一种导热系数及接触热阻测试装置，其特征在于：真空罩9位于整个装置的外部固定于密封底盘16上。
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CN101776628A (zh) * 2010-01-29 2010-07-14 中国科学技术大学 导热系数测量装置及方法
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玻璃钢低温下导热及接触热阻的实验研究;陈晓燕 等;《低温技术》;20061231;第34卷(第6期);414-417 *
陈晓燕 等.玻璃钢低温下导热及接触热阻的实验研究.《低温技术》.2006,第34卷(第6期),414-417.

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