CN109781780B - 一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统。测试时，通过加热系统与电加热膜连接对加热段进行恒定功率的加热，冷却系统与冷却腔体连接对冷却段进行恒温冷却，数据采集处理系统与热电偶连接完成被测高导热材料沿程温度的实时采集和输出。且测试过程中采用保温材料对被测高导热材料的加热段和保温段进行绝热保温，使热量沿被测高导热材料的长度方向进行传递，形成被测高导热材料沿长度方向的一维稳态传热，可实现在较小加热功率下被测高导热材料表面沿程有较大的温差，保证一定的测试精度。本发明能解决现有技术中测试高导热材料导热系数时测样品尺寸大，加热功率大难以实施，测试精度低，无法通过一次性测试得到材料的导热系数等问题。

Description

一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统

技术领域

本发明属于热物性测试技术领域，具体涉及一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统，该系统沿被测高导热材料长度方向形成一维稳态传热，基于一维导热定律得到被测材料导热系数的测试，特别适宜于不易加工大尺寸(长宽高)的各种高导热材料(铝、铜、石墨等)的导热系数测试。

背景技术

高导热材料(铝、铜、石墨等)在航天航空、低温建筑和电子器件散热等领域均有广泛的应用，而将这些材料设计应用于相关领域时，必须准确测试其热性能才能更加合理、高效的对其进行使用。导热系数作为表征材料最重要的热物性参数之一，在材料的热性能分析方面具有关键性的作用。

目前导热系数的测试方法主要分为稳态法和非稳态法两大类，常规稳态法只适于测试中低导热系数的材料，测试时通常将被测样品加工成一个面积较大矩形板，放置于冷源与热源中间且保证冷热面有5℃以上的温差，待温度稳定后依据傅里叶导热定律计算其导热系数，测试精度低。测试中通常需要极大的加热功率才能形成较大的温差(如测试一块规格为20cm×20cm×1cm铝板，保证冷热面温差为5℃时则需要加热功率约为4740W)，而大功率的加热一般不易实施，因此不适合测试高导热材料的导热系数。非稳态法中周期热流法和激光闪射法通常用于测试高导热材料的导热系数，但是实际测试的数据只能得到样品的热扩散系数，还需采用其他方法测试材料的密度与比热才能进而推导出材料的导热系数，增加了误差来源且无法通过一次性测试得到材料的导热系数。因此提供一种测试精度高，通过一次测试可以得到被测高导热材料导热系数的测试方法将会对高导热材料导热系数的实际测试带来极大的便利，具有重要的应用价值。

发明内容

针对目前技术中存在的不足，为提高高导热材料导热系数测试的便利性，本发明提供了一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统。本发明能解决现有技术中测试高导热材料导热系数时测样品尺寸大，加热功率大难以实施，测试精度低，无法通过一次性测试得到材料的导热系数等问题。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统，包括加热系统、电加热膜、保温材料、冷却腔体、冷却系统、热电偶和数据采集处理系统；其中，

测试时，被测高导热材料一端缠绕有电加热膜，另一端夹持在平行设置的两个冷却腔体之间，若干热电偶均匀布置在被测高导热材料的中部，且被测高导热材料除夹持在两个冷却腔体之间部分外，其他部分的外侧均设置有保温材料；加热系统与电加热膜连接用于对被测高导热材料一端进行恒定功率的加热，冷却系统通过与冷却腔体连接用于对被测高导热材料另一端进行恒温冷却，数据采集处理系统与热电偶连接用于完成被测高导热材料沿程温度的实时采集和输出。

本发明进一步的改进在于，被测高导热材料沿长度方向依次分为加热段、保温段和冷却段；电加热膜缠绕在被测高导热材料的加热段，两个冷却腔体夹持在被测高导热材料的冷却段，且在加热段和保温段设置有保温材料进行绝热保温，使得沿被测高导热材料的长度方向形成稳态一维传热，然后根据保温段的沿程温度分布即可计算其导热系数。

本发明进一步的改进在于，电加热膜紧密缠绕在被测高导热材料的加热段，并采用耐高温柔性胶带进行粘贴固定。

本发明进一步的改进在于，保温材料的导热系数为0.04W/m·K时，厚度在5cm以上，用于保证较小的热量损失和可靠的测试精度。

本发明进一步的改进在于，在被测高导热材料的保温段沿长度方向在正反面布置几排热电偶作为温度采集点。

本发明进一步的改进在于，每排布置热电偶的数量为3个，其中第一排热电偶的布置位置距电加热膜为1cm，后面每一排热电偶的布置位置依次距前一排的位置为2cm。

本发明进一步的改进在于，每排热电偶采集的温度差异小于0.3℃。

本发明进一步的改进在于，被测高导热材料的加热段和冷却段的长度根据实际电加热膜的宽度和被测高导热材料的长度进行调节，保温段长度为5-10cm。

本发明进一步的改进在于，被测高导热材料的形状为长薄板形状，其长度大于厚度。

本发明进一步的改进在于，冷却腔体采用纯铜制成。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统，包括加热系统、电加热膜、保温材料、冷却腔体、冷却系统、热电偶和数据采集处理系统；所述加热系统与电加热膜连接对被测高导热材料一端进行恒定功率的加热，冷却系统通过与冷却腔体连接对被测高导热材料另一端进行恒温冷却，数据采集处理系统与热电偶连接完成被测高导热材料沿程温度的实时采集和输出。其中，本发明加热方式便捷灵活，通过加热系统连接的电加热膜对被测高导热材料进行恒定功率的加热，电加热膜的大小和形状可根据被测高导热材料的大小和形状进行选择确定，提高了加热方式的灵活性。本发明冷却方式采用冷却系统连接的两块冷却腔体进行冷却，其中冷却系统提供恒定温度的循环流体在冷却腔体的一端流入，另一端流出保证冷却腔体始终处于恒定的温度下。特别地，计算中热流密度的值为加热系统输入电加热膜的加热功率与被测材料沿长度方向的横截面积的商。

进一步，将被测高导热材料沿长度方向分为加热段、保温段和冷却段。其中加热段和冷却段的长度可根据实际电加热膜的宽度和被测高导热材料的长度进行调节，保温段长度优选为5-10cm。电加热膜布置时其长度方向垂直于被测高导热材料的长度方向缠绕，因此电加热膜的宽度对应被测高导热材料的加热段的长度。冷却段长度则是除加热段和保温段后剩余的部分。

进一步，电加热膜缠绕在被测材料表面会有一定的空隙，因此采用耐高温的柔性胶带将加热膜固定粘贴在材料表面，即减小了加热膜和被测材料表面的接触热阻，同时耐高温的柔性胶带也提高了在高温加热情况下加热的均匀性，并减少空气热阻的影响。

进一步，冷却腔体优选用高导热的材料(如纯铜)以保证对被测材料的接触面进行快速充分的冷却。冷却时将被测材料的一端放置于两块冷却腔体中间，被测材料伸入两块冷却腔体中间的长度可被测材料的长度确定，提高了冷却方式的便利性。

进一步，测试过程中采用一定厚度、隔热性能好的保温材料将被测高导热材料的加热段和保温段包裹起来进行绝热保温，以减少沿程热量的散失。使热量沿被测高导热材料的长度方向进行传递，形成被测高导热材料沿长度方向的一维稳态传热，这样便可实现在较小加热功率下被测高导热材料表面沿程有较大的温差，进而保证一定的测试精度。保温材料包裹被测高导热材料后形状近似为圆筒状，其厚度按表面散热损失计算后发现保温材料的导热系数在0.04W/m·K时，厚度在5cm以上，可保证较小的热量损失和可靠的测试精度。

进一步，在被高导热测材料的保温段沿长度方向在其正反面布置几排热电偶作为温度采集点，每一面每排布置热电偶的数量优选为3个，分别布置在被测材料中心处及两侧处。实验中应注意每排热电偶采集的温度差异小于0.3℃，然后取其平均值作为这一排所在位置处的实际温度进行求解计算，保证了较高的测试精度。克服了常规稳态法测试样品尺寸大，需要极大加热功率才能形成较大温差，测试精度低的缺点。其中第一排热电偶的优选布置位置距电加热膜为1cm，因为电加热膜布置时垂直于被测材料的长度方向，则在加热段热量垂直于被测材料的长度方向(即厚度方向)传递，除加热段外热量主要沿被测材料的长度方向传递，但在加热段和保温段的过渡区域热量并不是完全平行于材料长度方向传递的，则过渡区域内的温度并不是稳定相同的，因此实际测试中应该避开过渡区域布置热电偶，经过多次试验测试不同高导热材料发现这个过渡区域距电加热膜的距离为1cm左右，所以测试中第一排热电偶的优选布置距离电加热膜1cm。后面每一排热电偶的布置位置依次距前一排的位置为2cm。计算时以第一排热电偶测得的温度平均值作为基准温度值，然后将此温度值和后面几排热电偶测得的温度平均值的差作为相应位置对应的温度差，最后依据傅里叶导热定律求解导热系数。由于保温隔热后被测高导热材料表面还是会有少量的热量散失，导致沿程热流密度减小，所以距加热膜距离越远，热量散失导致测试结果越偏离实际值，因此优选距电加热膜最近的两三排热电偶测得的温度进行导热系数的计算，保温段长度优选为5-10cm的目的也是为了减小散热损失。

进一步，被测高导热材料优选为长薄板形状，其长度远大厚度以保证加热过程中相对较少的热量散失。

综上所述，本发明中被测样品制备简单，只需要一块横截面积较小的长板即可进行导热系数的测试。克服了高导热系数常规稳态法需要测试样品尺寸大的问题，适宜于不易加工大尺寸(长宽高)的材料。本发明所用的仪器设备费用相对较低、操作简单方便、重复性高。可通过一次测试得到被测高导热材料的导热系数，是一种经济合理、精度可靠的高导热材料导热系数稳态测试系统。

附图说明

图1为本发明一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统的结构示意图。

图2为本发明的俯视剖面图。

图3为本发明被测高导热材料分段区域示意图。

图4为本发明的侧视剖面图。

图5为不同高导热材料的导热系数及导热系数测试误差变化图，其中，图5(a)、图5(b)及图5(c)分别表示黄铜、铝、纯铜在不同测温距离情况下得到的导热系数及其误差情况。

图6为数值模拟不同材料在实际测试中沿程热流密度损失后的比例。

图7为数值模拟本发明测试不同导热系数材料的误差范围。

附图标记说明：

1-加热系统，2-电加热膜，3-被测高导热材料，3-1-被测高导热材料的加热段，3-2-被测高导热材料的保温段，3-3-被测高导热材料的冷却段，4-保温材料，5-冷却腔体，6-冷却系统，7-数据采集处理系统，8-热电偶，9-耐高温柔性胶带。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1-图4所示，本发明提供的一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统，包括加热系统1、电加热膜2、保温材料4、冷却腔体5、冷却系统6、热电偶8和数据采集处理系统7；测试时，被测高导热材料3一端缠绕有电加热膜2，另一端夹持在平行设置的两个冷却腔体5之间，若干热电偶8均匀布置在被测高导热材料3的中部，且被测高导热材料3除夹持在两个冷却腔体5之间部分外，其他部分的外侧均设置有保温材料4；所述加热系统1与电加热膜2连接用于对被测高导热材料3进行恒定功率的加热，冷却系统6与冷却腔体5连接用于对被测高导热材料3进行恒定温度的冷却，数据采集处理系统7与热电偶8连接用于完成数据的实时采集和输出。

测试前，将所述高导热材料3分为加热段3-1、保温段3-2和冷却段3-3三部分，在加热段3-1采用合适的电加热膜2缠绕并用耐高温柔性胶带9粘贴固定好，粘贴固定过程中尽量确保电加热膜2和加热段3-1无缝接触。在保温段3-2沿被测高导热材料3长度方向在其正反面布置几排热电偶8作为温度采集点，每排布置热电偶的数量为3个，其中第一排热电偶8的优选布置位置距电加热膜2为1cm，后面每一排热电偶8的布置位置依次距前一排的距离为2cm。再用保温材料4把被测高导热材料3的加热段3-1和保温段3-2包裹固定起来进行隔热保温。然后把冷却段3-3一面放置于一块冷却腔体5上，固定好后将另一块冷却腔体5压在冷却段3-3的另一面上，确认冷却腔体5和冷却段3-3之间没有缝隙。最后分别打开加热系统1和冷却系统6给被测高导热材料3进行恒定功率的加热和恒定温度的冷却，同时打开数据采集处理系统7采集被测高导热材料3表面的温度数据，待被测高导热材料3表面温度达到稳定后，采用数据采集处理系统7记录的温度数据进行导热系数的求解。

优选的，保温材料4的导热系数在0.04W/m·K时，厚度在5cm以上，用于保证较小的热量损失和可靠的测试精度。

优选的，在被测高导热材料3的保温段3-2沿长度方向在正反面布置几排热电偶8作为温度采集点，每排布置热电偶的数量优选为3个，其中第一排热电偶8的优选布置位置距电加热膜2为1cm。

优选的，被测高导热材料3的加热段3-1和冷却段3-3的长度可根据实际电加热膜2的宽度和被测高导热材料3的长度进行调节，保温段3-2长度优选为5-10cm。被测高导热材料3的形状优选为长薄板形状，其长度远大于厚度。

优选的，冷却腔体5的材料优选为高导热材料，如纯铜。

进一步，为了验证本发明测试的精度及可行性，本发明通过实验测试和数值模拟两种手段进行了测试和验证。图5是实验测试中得到的不同高导热材料的导热系数的值以及与文献值的相对误差。结果表明：被测高导热材料3导热系数越大，测试精度越高；距离加热膜2位置越远，测试所得结果偏差越大。

图6是本发明在数值模拟实际实验情况下得到的被测高导热材料3沿程热流密度的变化情况，结果表明热流密度沿程逐渐减小，说明虽然被测高导热材料3表面设置了保温材料4进行隔热保温，但是沿程依然会有部分热量散失。导致测试结果出现偏差，而且偏差随测温距离增加而增大。所以实际测试中应取距离加热膜3较近的测温点进行求解计算。

特别地，本发明还采用数值模拟的方法验证了本发明测试不同导热系数材料的误差范围，结果表明本发明在被测材料规格为50cm×6cm×0.5cm，在加热段和保温段设置厚度10cm、导热系数0.04W/m·K的保温材料进行隔热保温，取距加热膜最近两排(分别距加热膜1cm和3cm)的温度进行导热系数计算时，发现测试导热系数范围在100W/m·K以上可保证测试精度在10％以内。

Claims (2)

1.一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统，其特征在于，包括加热系统(1)、电加热膜(2)、保温材料(4)、冷却腔体(5)、冷却系统(6)、热电偶(8)和数据采集处理系统(7)；其中，

测试时，被测高导热材料(3)一端缠绕有电加热膜(2)，另一端夹持在平行设置的两个冷却腔体(5)之间，若干热电偶(8)均匀布置在被测高导热材料(3)的中部，且被测高导热材料(3)除夹持在两个冷却腔体(5)之间部分外，其他部分的外侧均设置有保温材料(4)；加热系统(1)与电加热膜(2)连接用于对被测高导热材料(3)一端进行恒定功率的加热，冷却系统(6)通过与冷却腔体(5)连接用于对被测高导热材料(3)另一端进行恒温冷却，数据采集处理系统(7)与热电偶(8)连接用于完成被测高导热材料(3)沿程温度的实时采集和输出；

被测高导热材料(3)沿长度方向依次分为加热段(3-1)、保温段(3-2)和冷却段(3-3)；电加热膜(2)缠绕在被测高导热材料(3)的加热段(3-1)，两个冷却腔体(5)夹持在被测高导热材料(3)的冷却段(3-3)，且在加热段(3-1)和保温段(3-2)设置有保温材料(4)进行绝热保温，使得沿被测高导热材料(3)的长度方向形成稳态一维传热，然后根据保温段(3-2)的沿程温度分布即可计算其导热系数；

电加热膜(2)紧密缠绕在被测高导热材料(3)的加热段(3-1)，并采用耐高温柔性胶带(9)进行粘贴固定；

在被测高导热材料(3)的保温段(3-2)沿长度方向在正反面布置几排热电偶(8)作为温度采集点；每排布置热电偶(8)的数量为3个，其中第一排热电偶(8)的布置位置距电加热膜(2)为1cm，后面每一排热电偶(8)的布置位置依次距前一排的位置为2cm；每排热电偶(8)采集的温度差异小于0.3℃；

保温材料(4)的导热系数为0.04W/m·K时，厚度在5cm以上，用于保证较小的热量损失和可靠的测试精度；

被测高导热材料(3)的加热段(3-1)和冷却段(3-3)的长度根据实际电加热膜(2)的宽度和被测高导热材料(3)的长度进行调节，保温段(3-2)长度为5-10cm；被测高导热材料(3)的形状为长薄板形状，其长度大于厚度。

2.根据权利要求1所述的一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统，其特征在于，冷却腔体(5)采用纯铜制成。

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