CN108195879A - 瞬态法测量材料导热系数及热扩散系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的瞬态法测量材料导热系数及热扩散系数的方法，包括以下步骤：步骤1，准备材料相同的试材Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，并以试材Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ的次序由下至上依次叠置，然后在试材Ⅰ与试材Ⅲ之间放置一块均匀的平面加热片；步骤2，在试材Ⅰ的上、下表面的中间位置分别安装第一、第二测温热电偶，在试材Ⅱ的上表面的中间位置安装第三测温热电偶，在试材Ⅲ的下表面的中间位置安装第四测温热电偶；步骤S3，采用对称加热面方法计算平面热源的热流密度；步骤S4，根据非稳态导热过程的基本理论进行计算；步骤S5，分别测定τ_i时刻x＝0处，与τ_j时刻x＝x₁处的温升；步骤S6，计算热扩散系数a和导热系数λ；本发明测量简单方便、测量量少。

Description

瞬态法测量材料导热系数及热扩散系数的方法

技术领域

本发明涉及固体材料热物性参数测试技术领域，尤其涉及一种瞬态法测量材料导热系数及热扩散系数的方法。

背景技术

随着我国对节能及能源利用率的日益重视，材料热物性及其测试方法方面的研究方兴未艾。固体材料热物性测试总体上分为稳态法和非稳态法，稳态法测试由于所需时间长、测试环境要求高，而不能适应现代科技迅速发展的需求，非稳态法应运而生并因为其具有快速、准确、可实现多参数测量的优势而得到了更为广泛的应用。

例如中国专利申请号CN201010201486.7、CN201410415796.7、CN200710064386.2、CN200910076426.4、CN201610378618.0等分别公开了导热系数及热扩散率的测量方法或装置，但以上测量方法或装置所涉及的测量方法存在测量工序多而复杂，测量量大等缺点。

为此，申请人进行了有益的探索和尝试，找到了解决上述问题的办法，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对现有的导热系数及热扩散系数的测量方法存在的问题，而提供一种测量简单方便、测量量少的瞬态法测量材料导热系数及热扩散系数的方法。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

瞬态法测量材料导热系数及热扩散系数的方法，包括以下步骤：

步骤1，准备材料相同的试材Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其厚度分别为x₁、δ和x₁+δ，并以试材Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ的次序由下至上依次叠置，然后在试材Ⅰ与试材Ⅲ之间放置一块均匀的平面加热片；

步骤2，在试材Ⅰ的上、下表面的中间位置分别安装第一、第二测温热电偶，在试材Ⅱ的上表面的中间位置安装第三测温热电偶，在试材Ⅲ的下表面的中间位置安装第四测温热电偶，所述第一、第二测温热电偶用以测量试材Ⅰ的上、下表面的温度t₂和t₁，所述第三测温热电偶用以测量试材Ⅱ的上表面的温度t₃，所述第四测温热电偶用以测量试材Ⅲ的下表面的温度t₄；

步骤S3，采用对称加热面方法，计算平面热源的热流密度q₀，

式中，U为稳压电源电压，R为加热片电阻，F为加热片面积；

步骤S4，根据非稳态导热过程的基本理论，在初始温度t₀分布均匀的半无限大的物体中，从τ＝0起，半无限大的物体表面受均匀分布的平面热源q₀的作用，在常物性条件下，离表面x处的温升θ_x,τ＝t_x,τ-t₀为：

式中，λ和a为试材导热系数和热扩散率，τ为时间，ierfcξ代表变量ξ的高斯误差补函数的一次积分；

步骤S5，分别测定τ_i时刻x＝0处，与τ_j时刻x＝x₁处的温升，再根据公式(2)可推出：

步骤S6，热扩散系数a和导热系数λ的表达式分别为：

由于采用了如上的技术方案，本发明的有益效果在于：本发明的测量中只需采集被测试样的厚度δ、试样x＝0处与x＝x1处的温升、每一个温升对应的时间即可通过推理公式计算出材料导热系数及热扩散系数，测量简单方便，便于实验测量操作，测量量少。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的实验装置的结构示意图。

图2是本发明的实验原理图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明的瞬态法测量材料导热系数及热扩散系数的方法，包括以下步骤：

1、参见图1，试材Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的材料相同，其厚度分别为x₁、δ和x₁+δ，试材Ⅰ的长宽是厚度的8～10倍，试材Ⅰ和Ⅲ之间放置一个均匀的平面加热片100，平面加热片100采用直流稳压电源供电；

2、在试材Ⅰ的上、下表面中间分别装有第一测温热电偶(图中未示出)和第二测温热电偶(图中未示出)，用以测量试材Ⅰ的上、下表面的温度t₂和t₁；在试材Ⅱ的上表面的中间位置安装第三测温热电偶(图中未示出)，用以测量试材Ⅱ的上表面的温度t₃；在试材Ⅲ的下表面的中间位置安装第四测温热电偶(图中未示出)，用以测量试材Ⅲ的下表面的温度t₄；

3、由于采用对称加热面方法，平面热源的热功率实际为总加热功率的一半，单侧热流密度q₀为：

式中，U为加热电压；R为加热片电阻；F为加热片面积。

4、根据非稳态导热过程的基本理论，在初始温度t0分布均匀的半无限大的物体中，从τ＝0起，半无限大的物体表面(即图2中x＝0的平面)受均匀分布的平面热源q₀(W/m²)的作用，在常物性条件下，离表面x处的温升θ_x,τ＝t_x,τ-t₀为：

式中，λ和a为试材导热系数和热扩散率，τ为时间。令ierfcξ代表变量ξ的高斯误差补函数的一次积分，即：

τ>0，但x＝0时，

于是由式(2)可知

5、分别测定τ_i时刻x＝0处，与τ_j时刻x＝x₁处的温升，根据式(2)和式(3)

令(建议本实验中，可以统一将τ_i和τ_j取为同一时刻，即τ_i＝τ_j＝τ)

于是，由已测定的量φ可以求出

的值，从数学函数表可确定自变量

的值，从而计算出相应于该测试温度范围的平均温度时的热扩散率a为

将a的值代入式(3)，可求出试材的导热系数λ为

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.瞬态法测量材料导热系数及热扩散系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，准备材料相同的试材Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其厚度分别为x₁、δ和x₁+δ，并以试材Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ的次序由下至上依次叠置，然后在试材Ⅰ与试材Ⅲ之间放置一块均匀的平面加热片；

步骤2，在试材Ⅰ的上、下表面的中间位置分别安装第一、第二测温热电偶，在试材Ⅱ的上表面的中间位置安装第三测温热电偶，在试材Ⅲ的下表面的中间位置安装第四测温热电偶，所述第一、第二测温热电偶用以测量试材Ⅰ的上、下表面的温度t₂和t₁，所述第三测温热电偶用以测量试材Ⅱ的上表面的温度t₃，所述第四测温热电偶用以测量试材Ⅲ的下表面的温度t₄；

步骤S3，采用对称加热面方法计算平面热源的热流密度q₀，

式中，U为稳压电源电压，R为加热片电阻，F为加热片面积；

步骤S4，根据非稳态导热过程的基本理论，在初始温度t₀分布均匀的半无限大的物体中，从τ＝0起，半无限大的物体表面受均匀分布的平面热源q₀的作用，在常物性条件下，离表面x处的温升θ_x,τ＝t_x,τ-t₀为：

式中，λ和a为试材导热系数和热扩散率，τ为时间，ierfcξ代表变量ξ的高斯误差补函数的一次积分；

步骤S5，分别测定τ_i时刻x＝0处，与τ_j时刻x＝x₁处的温升，再根据公式(2)可推出：

步骤S6，热扩散系数a和导热系数λ的表达式分别为：

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