CN103149238B - 多孔陶瓷导热系数的简易测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多孔陶瓷导热系数的简易测量装置。该装置包括位于底部的加热器，加热器的顶部设有热源，热源的顶部设有上下对应的上铜片和下铜片，下铜片与热源直接接触为热端，上铜片为冷端；测量时，被测多孔陶瓷位于上铜片和下铜片之间；上铜片和下铜片分别连接着热电偶；上铜片、被测多孔陶瓷和下铜片上包裹着保温罩，保温罩的外侧顶部设有重块。本发明装置利用傅里叶传热定律计算导热系数，结构简单；搭建装置所用的加热器、热源、铜片、热电偶等部件并不昂贵，成本较低；利用该装置测量导热系数的实验操作步骤较少，与稳态法测量一次需几个小时相比较，本发明测量一次所需的时间一般在10～20分钟。

Description

多孔陶瓷导热系数的简易测量装置

技术领域

本发明属于导热测量技术领域，具体涉及多孔陶瓷导热系数的测量装置。

背景技术

多孔陶瓷由于具有低导热，低密度，高孔隙，耐高温和耐腐蚀等优异性能，被广泛应用于制备过滤膜，催化剂载体，燃烧器和保温材料等。其中，导热系数是多孔陶瓷一个重要的物理参数，是评价多孔陶瓷性能必不可少的基础数据。目前，多孔陶瓷的导热系数主要通过实验测量获得，根据测量原理大致可分为稳态法和非稳态法。稳态测量法具有原理简单，可准确、直接地获得热导率，缺点是测定时间较长和对环境（如测量系统的绝热条件、测量过程中的温度控制以及样品的形状尺寸等）要求苛刻。非稳态测量法通过测量样品的温度分布随时间变化来推算导热系数，特点是测量时间短、精确性高、对环境要求低，但是公式较复杂，一般多用于比热基本趋于常数的中、高温区导热系数的测量。常用的稳态法有防护平板法，热流计法等，常用的非稳态法有热线法，平面热源法和散光等，并且各种测量方法都有一定的导热系数测量范围。

多孔陶瓷的成型方法有很多种，当运用模压或者注模成型时，最终样品的尺寸受限于模具大小，这样很多普通的热导率测试仪器并不适用，而某些能够进行测量的精密测量仪器又价格昂贵，进行一次测量所需费用较高，所以搭建一种能快速准备测量多孔陶瓷导热系数的简易实验装置是非常必要的。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种多孔陶瓷导热系数的简易测量装置。

多孔陶瓷导热系数的简易测量装置包括位于底部的加热器1，加热器1的顶部设有热源2，热源2的顶部设有上下对应的上铜片5和下铜片3，下铜片3与热源2直接接触为热端，上铜片5为冷端；测量时，被测多孔陶瓷4位于上铜片5和下铜片3之间；上铜片5的中部和下铜片3的中部分别开设有小孔，上热电偶8的一端插设于上铜片5的小孔内，下热电偶9的一端插设于下铜片3的小孔内；上铜片5、被测多孔陶瓷4和下铜片3上包裹着保温罩6，保温罩6的外侧顶部设有重块7；上热电偶8的另一端和下热电偶9的另一端分别位于保温罩6的外部。

所述热源2为圆形或方形的厚铁块或厚铜块，厚度为20～40mm；圆形的厚铁块或厚铜块直径为60～80mm，方形的厚铁块或厚铜块的边长为60～80mm；所述上铜片5和下铜片3均为圆形或方形，厚度3～5mm；所述重块7为圆形或方形的铁块或者铅块，厚度为20～40mm；圆形的铁块或者铅块的直径为20～30mm。方形的铁块或者铅块的边长为20～30mm。

所述加热器1为高温陶瓷加热片或者电阻加热器。

保温罩材料为聚苯乙烯或者聚氨酯泡沫保温材料。

所述上热电偶8和下热电偶9均为Ф0.5的K型铠装热电偶。

本发明利用傅里叶传热定律，一个厚度为h、截面积为A的样品两边的热端温度和冷端温度分别记为T_h和T_c，则从热端到冷端在样品内将产生一个纵向热流Q。由此可以导出样品的导热系数λ为：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{hQ}}{A(T_h-T_c)}---\left(1\right)$

本发明的测量操作步骤如下：

（1）首先将插有下热电偶9的下铜片3放在热源2上，加热器1通电对热源2进行加热，待下铜片3温度升至60℃左右时，停止加热；

（2）停止加热后，依次在下铜片3上放上被测多孔陶瓷4和插有上热电偶8的上铜片5，包裹上保温罩6，并压上重物7；

（3）开始同时记录上铜片5和下铜片3的温度；

（4）待上铜片5温度升至45℃左右时，停止测量；

（5）取下被测多孔陶瓷4和上铜片5冷却至室温，重复步骤（1）～（4）进行第二次测量；

（6）重复步骤（1）～（4）进行第三次测量；

（7）分析采集得到的三次测量数据，利用origin8.0软件计算出测量温度段样品的导热系数。

与现有的测量多孔陶瓷导热系数装置相比，本发明的优点是：

1.本发明装置利用傅里叶传热定律计算导热系数，结构简单；搭建装置所用的加热器、热源、铜片、热电偶等部件并不昂贵，成本较低。

2.本发明能满足不同尺寸多孔陶瓷的测量。通过定制不同尺寸的铜片，该装置能测量不同尺寸的多孔陶瓷片的导热系数，适用范围较广。

3.实验操作方便，测量快速。利用该装置测量导热系数的实验操作步骤较少，与稳态法测量一次需几个小时相比较，本发明测量一次所需的时间一般在10～20分钟。

附图说明

图1为本发明结构示意图，图1中序号：加热器1、热源2、下铜片3、被测多孔陶瓷4、上铜片5、保温罩6、重块7、上热电偶8、下热电偶9。

图2为实施例中某次测量采集的数据结果，其中虚线表示在测量时间内热端（下铜片）的温度随时间变化过程，实线表示测量时间内冷端（上铜片）的温度随时间变化过程。

图3为通过origin计算得到的样品导热系数和线性拟合结果，其中数据点为在测量温度范围内计算得到的样品导热系数，直线为线性拟合结果。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例：

参见图1，多孔陶瓷导热系数的简易测量装置包括位于底部的加热器1，加热器为高温陶瓷加热片。加热器1的顶部设有热源2，热源为圆形厚铁块，厚度为30mm，直径为60mm。热源2的顶部设有上下对应的上铜片5和下铜片3，下铜片3与热源2直接接触为热端，上铜片5为冷端；测量时，被测多孔陶瓷4位于上铜片5和下铜片3之间；被测多孔陶瓷4为模压成型的圆形多孔陶瓷片，直径为25mm，厚度为3mm；上铜片5与下铜片3的直径和被测多孔陶瓷4直径相当，厚度为3mm。上铜片5的中部和下铜片3的中部分别开设有小孔，上热电偶8的一端插设于上铜片5的小孔内，下热电偶9的一端插设于下铜片3的小孔内；上热电偶8和下热电偶9均为Ф0.5的K型铠装热电偶。为了保证被测多孔陶瓷4内部一维热传导和上、下铜片没有散热，上铜片5、被测多孔陶瓷4和下铜片3上包裹着保温罩6，为了减少上、下铜片和被测多孔陶瓷4之间的热阻，保温罩6的外侧顶部压有重块7；保温罩材料为聚苯乙烯，重块为圆形铁块，厚度为20mm，直径为30mm。上热电偶8的另一端和下热电偶9的另一端分别位于保温罩6的外部。用于测量时，在上热电偶8的另一端和下热电偶9的另一端之间串联着热电偶数据采集系统10，热电偶数据采集系统为7018热电偶数据采集模块或安捷伦热电偶数据采集系统。

本装置的测量操作步骤如下：

（1）首先将插有下热电偶9的下铜片3放在热源2上，加热器1通电对热源2进行加热，待下铜片3温度升至60℃左右时，停止加热；

（2）停止加热后，依次在下铜片3上放上被测多孔陶瓷4和插有上热电偶8的上铜片5，包裹上保温罩6，并压上重物7；

（3）开始同时记录上铜片5和下铜片3的温度；

（4）待上铜片5温度升至45℃左右时，停止测量；

（5）取下被测多孔陶瓷4和上铜片5冷却至室温，重复步骤（1）～（4）进行第二次测量；

（6）重复步骤（1）～（4）进行第三次测量；

（7）分析采集得到的三次测量数据，利用origin8.0软件计算出测量温度段样品的导热系数。

本发明利用傅里叶传热定律，一个厚度为h、截面积为A的被测多孔陶瓷4两边的热端温度和冷端温度分别记为T_h和T_c，则从热端到冷端在样品内将产生一个纵向热流Q。由此可以导出样品的导热系数λ为：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{hQ}}{A(T_h-T_c)}---\left(1\right)$

具体的数据分析方法，利用公式（1），其中

Q＝cmΔT    （2）

式中，c为黄铜的比热容（0.39·10J/(g·K)），m为上铜片的质量（本实例的上铜片质量为9.520g），ΔT可以利用origin软件中求导数功能获得。

因为热端铜片的温度变化不大，且数据采集系统中的采集间隔是1秒，所以根据准稳态的概念，将公式（2）代入公式（1）可以计算出，在时刻t时，样品冷端温度为T_t时的导热系数为：

${\mathrm{\λ}}_{T_t}=\frac{\mathrm{hcm\Δ}{T}_t}{A(T_h-T_t)}---\left(3\right)$

其中，本实例c=0.39J/(g·K)，m=9.520g，A=4.91×10^-4m²,h=3×10^-3m。

图2为一次实例测量采集的数据结果，将采集的数据和已知数据根据公式（3），通过origin计算就可以得到样品在温度20℃至45℃之间的一系列导热系数，如图3所示。从图3可以看出随着温度升高，被测多孔陶瓷4的导热系数也是升高的，通过线性处理，得到在温度区间20℃至45℃，该被测多孔陶瓷4的导热系数和温度的关系是：λ_T＝0.33066+0.0034T（W/m·k）。

Claims (5)

1.多孔陶瓷导热系数的简易测量装置，其特征在于：包括位于底部的加热器(1)，加热器(1)的顶部设有热源(2)，热源(2)的顶部设有上下对应的上铜片(5)和下铜片(3)，下铜片(3)与热源(2)直接接触为热端，上铜片(5)为冷端；测量时，被测多孔陶瓷(4)位于上铜片(5)和下铜片(3)之间；上铜片(5)的中部和下铜片(3)的中部分别开设有小孔，上热电偶(8)的一端插设于上铜片(5)的小孔内，下热电偶(9)的一端插设于下铜片(3)的小孔内；上铜片(5)、被测多孔陶瓷(4)和下铜片(3)上包裹着保温罩(6)，保温罩(6)的外侧顶部设有重块(7)；上热电偶(8)的另一端和下热电偶(9)的另一端分别位于保温罩(6)的外部；所述热源(2)为圆形或方形的厚铁块或厚铜块，厚度为20～40mm；圆形的厚铁块或厚铜块直径为60～80mm，方形的厚铁块或厚铜块的边长为60～80mm；所述上铜片(5)和下铜片(3)均为圆形或方形，厚度3～5mm。

2.根据权利要求1所述的多孔陶瓷导热系数的简易测量装置，其特征在于：所述重块(7)为圆形或方形的铁块或者铅块，厚度为20～40mm；圆形的铁块或者铅块的直径为20～30mm，方形的铁块或者铅块的边长为20～30mm。

3.根据权利要求1或2所述的多孔陶瓷导热系数的简易测量装置，其特征在于：所述加热器(1)为高温陶瓷加热片或者电阻加热器。

4.根据权利要求1或2所述的多孔陶瓷导热系数的简易测量装置，其特征在于：保温罩材料为聚苯乙烯或者聚氨酯泡沫保温材料。

5.根据权利要求1或2所述的多孔陶瓷导热系数的简易测量装置，其特征在于：所述上热电偶(8)和下热电偶(9)均为Ф0.5的K型铠装热电偶。