CN108918580A - 一种无损稳态导热率测量方法 - Google Patents

一种无损稳态导热率测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无损稳态导热率测量方法，包括：1、对于块状材料，利用加热源通过点加热的方式加热样品的表面，对于薄膜材料，利用区域加热方式加热样品和某种已知导热率的对比材料；2、当样品达到热稳态时，对于块状材料，通过测量样品加热表面任意一点的温度变化或者任意两点的温度差来表征样品表面的温度场，对于薄膜材料，通过测量样品和对比材料加热区域中任意一点的温度变化来表征；3、通过样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型得到样品的导热率。与现有技术相比，本方法具有如下优点：1.实现样品同侧加热和探测，可应用于无损测量；2.简化样品制备和测量装置，缩短测量时长；3.环境影响小，可在多种环境下测量导热率。

Description

一种无损稳态导热率测量方法
技术领域
本发明涉及材料导热率测量技术，尤其是涉及一种无损稳态导热率测量方法。
背景技术
导热率是材料的一个重要热物理性质参数，快速、简便的导热率测量技术目前变得十分重要。在现有的导热率测量技术中，按测量方法的物理模型可大致分为稳态导热率测量方法和瞬态导热率测量方法。常见的稳态导热率测量方法有热线法(Searle’s barmethod)和热盘法(Lee’s disc method)。热线和热盘法分别适用于高导热率材料和低导热率材料的导热率测量。在这些稳态方法中，样品需要被均匀地加热或冷却至热稳态，再进行热物理参数测量。稳态测量方法的优点是数学模型简单，但测量中样品达到热稳态需要较长时间，因此整个测量过程时间较长(约几十分钟)。同时，稳态导热率测量方法对应的测量装置复杂，样品需加工成规定形状，限制其工程实地应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无损稳态导热率测量方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种无损稳态导热率测量方法，包括以下步骤：
S1、当样品是块状材料时，利用加热源通过点加热的方式加热样品的表面，当样品是薄膜材料时，利用加热源通过区域加热的方式同时加热样品和某种已知导热率的对比材料；
S2、当样品达到热稳态时，对于块状材料，通过测量样品加热表面任意一点的温度变化或者任意两点的温度差来表征样品表面的温度场，对于薄膜材料，通过测量样品和对比材料的加热区域中任意一点的温度变化来表征样品表面的温度场；
S3、通过样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型，计算得到样品的导热率。
优选的，所述块状材料的样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：
κ＝Q·F/ΔT
其中，κ为被测样品的导热率，Q为加热源功率，F为可控参数常数，通过标准材料校准得到，ΔT为温升温度场。
优选的，所述步骤S2中，通过测量样品加热表面任意一点的温度变化表征样品表面的温度场时，样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：
κ＝Q·Fi/ΔTi
其中，Fi为样品加热表面i点的可控参数常数，ΔTi为i点在一段时间的温度差。
优选的，所述步骤S2中，通过测量样品加热表面任意两点的温度差表征样品表面的温度场时，样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：
κ＝Q·(Fi-Fj)/ΔTij
其中，Fi、Fj分别为样品加热表面i点和j点的可控参数常数，ΔTij为某时刻i点和j点的温度差。
优选的，所述薄膜材料的样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：
其中，ΔTk为样品加热区域的k点在一段时间的温度差，ΔTe′为对比材料加热表面e点在一段时间的温度差，dc和dx分别表示样品和对比材料的厚度，κx表示对比材料的导热率。
优选的，所述步骤S2中测量加热样品表面任意一点的温度变化或者任意两点的温度差时，选择测量紧靠加热点的点。
优选的，所述步骤S1中，加热前对样品表面进行前处理，使样品表面的发射率相同且降低至较低水平。
优选的，所述前处理包括：在样品的待加热表面上涂覆发射率低的涂层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、无损测量：该方法只需在样品表面设一个微小的加热点和温度检测点，且都位于样品同侧，测量时无需过多加工样品本身即可进行导热率测量，避免样品的损坏。
2、样品准备过程简单：由于加热点和温度检测点位于样品材料同一侧，因此样品只需提供一个平整表面，然后在这个平整面上涂覆发射率低的涂层，无需过多准备工作。
3、导热率测量范围广泛：对于均质材料，本方法可测的导热率范围大，覆盖低导热材料至金属材料，且本方法对样品制备要求低，适用于各种工程材料；通过选择不同加热源，本方法适用于微米至米尺寸量级的材料的导热率测量，可广泛满足工业需求。
4、可实现结构映射：由于本方法测量点小，对于异质材料，测得的导热率为异质材料的局部导热率，因此可根据局部导热率变化通过扫描表征样品表面的结构。
5、实地工程应用性强：本方法中环境因素对测量过程影响小，适合在工程实地应用；也可以根据具体的实验要求，通过添加环境控制设备，实现在不同环境和极端环境下的导热率测量。
6、缩短测量时长：可通过测量样品加热表面任意两点的温度差来表征样品表面的温度场，同时测量加热点附近空间位置不同的两个被测点温度，由温度差得到导热率，而不用通过两次测量某点加热之前和之后的温度变化，简化了测量过程，提高测量效率。
7、实验装置简单，扩展性强：该方法的实施由加热模块、温度数据采集模块和数据处理模块组成，装置结构简单，基于该方法的潜在产品可以根据实际应用进行设计，例如，在实际工程应用中，紧凑设计加热源和探测系统可使产品便于携带。
附图说明
图1为本发明方法的测量系统示意图；
图2为本发明方法的一种测量系统示意图；
图3为本发明方法中常数F标定结果图；
图4为实施例二中水泥砖块成分分析扫描结果图；
图5为实施例三中水泥裂隙探测扫描结果图；
图6为实施例四中薄膜材料厚度方向导热率测量时对比材料装置示意图；
图7为实施例四中薄膜材料厚度方向导热率测量时样品装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种无损稳态导热率测量方法，分块状材料和薄膜材料两种材料，包括以下步骤：
S1、当样品是块状材料时，利用加热源通过点加热的方式加热样品的表面，当样品是薄膜材料时，利用加热源通过区域加热的方式同时加热样品和某种已知导热率的对比材料；
S2、当样品达到热稳态时，对于块状材料，通过测量样品加热表面任意一点的温度变化或者任意两点的温度差来表征样品表面的温度场，对于薄膜材料，通过测量样品和对比材料的加热区域中任意一点的温度变化来表征样品表面的温度场；
S3、通过样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型，计算得到样品的导热率。
对于块状材料，上述方法中的物理模型建立过程如下：加热源功率Q加热样品表面的一点，使样品内部形成稳定的温升分布场ΔT。ΔT与Q、加热源的空间分布g(x,y,z)和样品材料导热率κ成正比，因此可得到温升温度场的表达式：
ΔT＝Q·F(x,y,z,g)/κ
其中F(x,y,z,g)包含了样品表面发射率ε和多个可控参数，如：被测点的空间位置(x,y,z)、加热源的空间分布g(x,y,z)、温度探测器的灵敏度和精度以及其他不可变系统参数。对于一个固定的测量系统可保持可控参数不变。加热点和温度探测点位于样品材料同一侧，因此材料只需提供一个平整表面。样品表面发射率ε通过样品前处理，使样品表面的发射率相同且降低至较低水平，具体方法为：在样品的待加热表面上涂覆发射率低的涂层，例如哑光涂层、镀碳或石墨烯二维材料等。经上述材料表面处理后，F(x,y,z,g)为一个不随时间变化的常数，通过标准材料校准可得到常数F。因此可以得到被测样品的导热率κ：
κ＝Q·F/ΔT。
为了得到准确的测量结果，选择紧靠加热点的被测点以得到明显温升ΔT。由于加热点和测量点空间位置上非常接近，环境(对流效应等)的影响可以忽略，实际应用中可有效避免在室外测量时的环境影响。
通过测量样品加热表面任意一点的温度变化表征样品表面的温度场时，样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：
κ＝Q·Fi/ΔTi
其中，Fi为样品加热表面i点的可控常数，ΔTi为i点在一段时间的温度差。
通过测量样品加热表面任意两点的温度差表征样品表面的温度场时，样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：
κ＝Q·(Fi-Fj)/ΔTij
其中，Fi、Fj分别为样品加热表面i点和j点的可控参数常数，ΔTij为某时刻i点和j点的温度差。
对于薄膜材料的样品，区域加热方式是指加热源加热样品和对比材料表面的一片区域，根据有无样品时总热阻与温度变化的关系，测量薄膜材料沿厚度方向的导热率，样品导热率与样品表面的温度场的物理模型为：
其中，ΔTk为样品加热区域的k点在一段时间的温度差，ΔTe′为对比材料加热表面e点在一段时间的温度差，dc和dx分别表示样品和对比材料的厚度，κx表示对比材料的导热率。
本方法的实施系统包括加热模块、温度数据采集模块和数据处理模块。其中加热模块是可以对样品表面上任意一点或区域加热的加热源，包括激光加热和焦耳加热等。温度数据采集模块可使用红外热像仪、热电偶、拉曼光谱仪、反射率等测温仪器。整体实验装置简单，扩展性强。
图2所示为可以实现本方法的一种实验装置，包含一个连续激光光源、凸透镜和一个红外热像仪，该装置可实现非接触式稳态导热率测量。激光器作为加热源，其入射光束垂直于样品表面并加热样品，使样品照射点处及附近的表面温度升高。样品表面附加特殊涂层，以确保多次测量的一致的激光吸收和表面发射率。红外热像仪在样品达到热稳态后记录表面温度分布。红外热像仪镜头相对于样品表面的法线有一个小角度，并且聚焦在照射光点上。通过设计特定的样品架可确保所有样品的测量表面位于测量系统中相同的位置。
实施例一
本实施例中，通过测量样品加热表面任意两点的温度差来表征样品表面的温度场。选择加热点附近空间位置不同的两个被测点，并测量两者之间的温差，得到两个被测点的温升为：
T1–T0＝Q·F1/κ
T2–T0＝Q·F2/κ
这两点的温度T1、T2是同时获得，而不是某一点在加热之前和之后的温差；并且两点的空间位置非常接近加热点，环境(对流效应等)对加热点和测量点影响可以忽略，有效避免室外测量时的环境影响。样品导热率κ与两点之间的温差ΔT12＝T1–T2的关系为：
κ＝Q·(F1-F2)/ΔT12
经标准材料标定测量方法可以得到两点的常数项之差(F1-F2)，通过一次测量材料表面两点温差ΔT12计算得到样品导热率κ。此外，因为T1和T2是同时获得，而不是通过两次测量(某点加热之前和之后)，简化了测量过程，提高测量效率。
使用已知导热特性的标准材料校准常数F。采用的标准材料包括：铝合金6061-T6，碳钢AISI-1018，不锈钢AISI-304，熔融二氧化硅和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。结果如图3所示，材料导热率(1/κ)与温升/能量比值(ΔT/Q)表现出良好的线性关系，其斜率即为可控常数F。基于这种线性关系参数，可以快速确定被测材料的导热率。
实施例二
应用本方法可无损检测异质材料成分组成和分布。本实施例中，应用本方法和装置，扫描水泥砖块表面导热率随空间位置变化情况，如图4所示，可用以辅助表征水泥砖块内不同成分分布。
实施例三
应用本方法可无损检测材料的裂缝。本实施例中，水泥砖块表面或浅表面存在裂隙，裂隙处可认为空气为填充，无热量吸收，因此无明显温升，裂隙处的等效导热率发生突变，如图5所示，图中峰值位置即代表裂隙，可应用该方法无损检测工程材料前表面空洞和裂隙。
实施例四
薄膜材料的导热率通过对比的方法得到：准备两组测试品，一个测试品由铝块(导热率已知)和两层玻璃(导热率已知)组成，两层玻璃之间由导热胶粘结，置于铝块上，如图6所示；另一组测试品由相同铝块(导热率已知)、待测样品(导热率未知)和一层玻璃(导热率已知)组成，待测样品与玻璃由导热胶粘结，将待测样品朝下置于铝块上，如图7所示。
用T0表示环境温度，R表示热阻，由于铝的导热率高，体积大，所以几乎没有温升，保持为T0。玻璃加热区域被激光加热，吸收激光功率(热量Q)使表面温度为T1，得到温升ΔT1＝T1-T0，其可由各部分材料的热阻表示，对于图6所示样品，ΔT1可表示为：
对于图7所示对比测试品，温升ΔT2＝T2-T0可表示为：
由于两次测量实验的条件相同，即Q相同，并且导热胶和铝块的导热率较高，R导热胶和R铝块可以忽略，因此可以得到样品的导热率κ样品可由下式计算得到：
其中d样品和d玻璃分别表示样品和玻璃的厚度，κ玻璃表示玻璃的导热率。

Claims (8)

1.一种无损稳态导热率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、当样品是块状材料时，利用加热源通过点加热的方式加热样品的表面，当样品是薄膜材料时，利用加热源通过区域加热的方式同时加热样品和某种已知导热率的对比材料；
S2、当样品达到热稳态时，对于块状材料，通过测量样品加热表面任意一点的温度变化或者任意两点的温度差来表征样品表面的温度场，对于薄膜材料，通过测量样品和对比材料的加热区域中任意一点的温度变化来表征样品表面的温度场；
S3、通过样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型，计算得到样品的导热率。
2.根据权利要求1所述的一种无损稳态导热率测量方法，其特征在于，所述块状材料的样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：
κ＝Q·F/ΔT
其中，κ为被测样品的导热率，Q为加热源功率，F为可控常数参数，通过标准材料校准得到，ΔT为温升温度场。
3.根据权利要求2所述的一种无损稳态导热率测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过测量样品加热表面任意一点的温度变化表征样品表面的温度场时，样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：
κ＝Q·Fi/ΔTi
其中，Fi为样品加热表面i点的可控参数常数，ΔTi为i点在一段时间的温度差。
4.根据权利要求2所述的一种无损稳态导热率测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过测量样品加热表面任意两点的温度差表征样品表面的温度场时，样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：
κ＝Q·(Fi-Fj)/ΔTij
其中，Fi、Fj分别为样品加热表面i点和j点的可控参数常数，ΔTij为某时刻i点和j点的温度差。
5.根据权利要求1所述的一种无损稳态导热率测量方法，其特征在于，所述薄膜材料的样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：
其中，κ为被测样品的导热率，ΔTk为样品加热区域的k点在一段时间的温度差，ΔTe′为对比材料加热表面e点在一段时间的温度差，dc和dx分别表示样品和对比材料的厚度，κx表示对比材料的导热率。
6.根据权利要求1所述的一种无损稳态导热率测量方法，其特征在于，所述步骤S2中测量加热样品表面任意一点的温度变化或者任意两点的温度差时，选择测量紧靠加热点的点。
7.根据权利要求1所述的一种无损稳态导热率测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，加热前对样品表面进行前处理，使样品表面的发射率相同且降低至较低水平。
8.根据权利要求7所述的一种无损稳态导热率测量方法，其特征在于，所述前处理包括：在样品的待加热表面上涂覆发射率低的涂层。
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