CN118010791A - 一种用于非金属材料导热膜的热物性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于非金属导热材料的热物性测试装置，该热物性测试装置包括六面体的方形测试框架、布设在六面体的方形框架以内的底部上表面的铜板移动台；其特点是：还包括布设在该铜板移动台上表面的一字排列的多个等高度且等体积的片状的待测样品和对比样品；布设在该铜板移动台下表面的对应每个待测样品和对比样品的一对一的热电偶装置；布设在六面体方形测试框架以内的顶部下表面的、用于对下方多个待测样品和多个对比样品进行脉冲式热平面加热的热源装置；布设在六面体方形框架以外的用于控制该热源装置形成温度均匀的热平面的控制单元。本发明解决了一次只能测一个样品的问题，还解决了热导率计算复杂的问题。

Description

一种用于非金属材料导热膜的热物性测试装置

技术领域

本发明属于热传导技术领域，尤其是一种用于非金属导热材料的热物性测试装置。

背景技术

热物理性质是材料的基本性质之一，材料热物性参数包括热导率、热阻、热扩散系数、比热容、热膨胀系数等等，它们反应了热处理及热传递过程中材料的各种热力学性质，是对特定的热过程进行研究和应用的重要特征参量。

现有技术的热物性测试装置如图1所示，采用闪光法对材料的热扩散系数进行测量。闪光法测量的基本原理是：由激光源在瞬间发射一束光脉冲，均匀照射在待测样品的下表面，使其接受闪光的表层吸收光能后温度瞬时升高，并作为热端将能量以一维辐射传热的方式向背离闪光的另一端传播。然后，使用红外检测器连续测量样品上表面中心部位的相应温升过程，得到温度升高对时间的关系曲线：通过计量半升温时间t，可计算得到样品在温度T下的热扩散系数α。之后测试材料的比热容和密度，计算出热导率。

现有技术存在的问题是：1)一次只能测一个样品，现有的样品支撑结构通常固定的样品数量为1个，因此在对多个样品进行热扩散率的测量过程中，需要不停的更换样品，从而降低了热扩散率的测量效率。(2)不能直接测得导热率，还需要对材料进行比热容和密度的测量，经计算才能得出热导率。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种用于非金属导热材料的热物性测试装置，目的在于解决现有技术一次只能测量一个样品、并且热导率计算复杂的问题。

本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：

一种用于非金属导热材料的热物性测试装置，该热物性测试装置包括六面体的方形测试框架1、布设在六面体的方形框架内下方的移动台2和移动台上的铜板2-1；其特点是：还包括布设在该铜板2-1上表面的一字排列的多个等高度且等体积的片状的待测样品3和对比样品4；布设在铜板2-1下表面的铜板2-1和移动台2之间的与每个待测样品3和对比样品4一对一的热电偶装置5；布设在六面体方形测试框架1顶部下表面的、用于对下方多个待测样品3和多个对比样品4进行脉冲式热平面加热的热源装置6；布设在六面体方形框架1以外的用于控制该热源装置形成温度均匀的热平面的微控单元7。

进一步地，所述热源装置6为布设在六面体方形测试框架1以内的顶部下表面的一排阵列能量波发生器6-1，通过计算，当平面阵列能量波发生器的发生器和发生器之间的距离为一个设定值时，能够形成一个温度均匀的热平面，该温度均匀的热平面用于给下方的多个待测样品和多个对比样品均匀加热。

进一步地，所述热源装置6为布设在六面体方形测试框架1顶部的一排热平面阵列能量波发生器、以及一排光栅6-2，当所述一排热平面阵列能量波发生器6-1形成的热平面达不到理想的均匀度时，通过调整一排光栅6-2的狭缝宽度和角度来补偿热平面阵列能量波发生器产生的热平面均匀度。

进一步地，由于通过温度均匀的热平面给下方的待测样品3和对比样品4加热，因此，当布设多个待测样品3或对比样品4时，对于它们之间的间距无需限定，它们之间的间距可以相等，也可以不相等。

进一步地，所述多个热电偶的每个热电偶装置5均为独立的热控制单元，每个独立的控制单元包括一个独立的热电偶、一个独立的控制板、以及一条独立的控制线，所述独立的热电偶用于采集其对应的待测样品3的温度，并通过控制板对采集的温度数据进行数模转换，转换后发送给微控单元7。

进一步地，所述对比样品4为预先测试好已经达到设定导热率的样品，该对比样品用于在和待测样品3相同的测试环境下对比待测样品3的导热率，以解决对比样品4理论值和测试环境实际值的差距。

进一步地，在所述铜板2-1和待测样品3和对比样品4之间还设有导热硅胶2-2，导热硅胶2-2用于将待测样品3和对比样品4粘贴到铜板2-1上。

进一步地，该非金属导热材料包括石墨烯导热膜。

本发明的优点效果

1、通过采用热平面和热电偶相结合的方法，解决了一次只能测一个样品、在对多个样品进行热扩散率的测量过程中，需要不停的更换样品，从而降低了热扩散率的测量效率的问题。还解决了不能直接测得导热率、需要对材料进行比热容和密度的测量，经计算才能得出热导率的问题。

2、通过热平面加热的方法，简便了测试样品和对比样品的布放：不需要考虑测试样品和对比样品是否间隔均匀，因为是平面加热，只要在这个平面下的任何地方获得的热量都是相同的。

3、通过脉冲式热平面加热的方法，解决了散热快的问题。散热快需要二个条件，一个是热源装置和待测样品之间的距离，一个是热源装置的连续时间。本发明热源装置和待测样品之间的距离是通过计算得到的，该距离可以保证散热时间。并且热源供热方式是脉冲式而非连续供热，只是在测量的时刻发送脉冲，非测量阶段就停止发加热脉冲，因此使得上一批样品和下一批样品的散热间隔时间很短。提高了测试效率。

附图说明

图1为现有技术热物性测试装置示意图；

图2为本发明用于非金属导热材料的热物性测试装置示意图；

图中：1：六面体测试框架；2：移动台；2-1：铜板；2-2：导热硅胶；3：待测样品；4：对比样品；5：热电偶装置；6：热源装置；6-1：阵列能量波发生器；6-2：光栅；7：微控单元。

具体实施方式

本发明设计原理

1、本发明设计难点：难点之一在于热源的设计。第一、当采用一个能量波发生器同时对多个待测样品进行导热率测量时，由于多个待测样品和热源的距离不同，有的待测样品和热源是垂直距离，有的待测样品和光源是斜线距离，导致它们接受热辐射的程度不同，无法准确测量每个待测样品的导热率。第二、当一对一给每个待测样品配置一个能量波发生器时，由于发生器和发生器之间会存在不规则的干扰，导致当前待测样品接受的热辐射有可能是其它能量波发生器和当前能量波发生器的混合热辐射，而每个能量波发生器接受到的其它能量波发生器的干扰程度不同，也就是接受的热辐射不同，仍然无法准确测量每个待测样品的导热率；难点之二在于导热率的计算。假设采用第一种导热率计算的方法，如图1所示，现有技术采用闪光法对材料的热扩散系数进行测量。具体为使用红外检测器连续测量样品上表面中心部位的相应温升过程，得到温度升高对时间的关系曲线：通过计量半升温时间t，可计算得到样品在温度T下的热扩散系数α。之后测试材料的比热容和密度，计算出热导率。可见，第一种导热率计算需要四个步骤，不够简便。难点之三在于对比样品理论值和实际值的差别。由于环境因素，理论计算的对比样品的标准热导率和实际测量的对比样品的热导率总会有差别。现有技术为了解决这种差别，常规方法是不断进行对比样品理论值的修正。往往修正一次不行而需要经常修正。导致这次试验和下次试验的理论值均不相同。

2、本发明创新点和解决方案。解决难点之一的技术方案是采用热平面阵列能量波发生器加热，热平面能量波发生器阵列和普通阵列能量波发生器的区别在于：热平面阵列能量波发生器的间距是有特定要求的，通过计算，当间距适合时，发生器和发生器之间的干扰才会相互抵消产生温度均匀的热辐射平面。而普通阵列能量波发生器对于灯之间的间距没有特定要求，能量波之间的干涉、衍射复杂，不能形成均匀的平面能量波。并且，本发明还有第二套方案：热平面阵列能量波发生器阵列结合光栅。光栅起到调节均匀度的作用，因为光栅可以通过调整狭缝的宽度和角度来调谐平面能量波场，从而实现热平面温度(能量)均匀的效果；解决难点之二的技术方案是采用热电偶直接测量待测样品的温度，将热电偶布设在每个待测样品下方，进行一对一的对应关系。相比现有技术采用红外检测器或者红外成像仪计算热导率的方法要简便很多。解决难点之三的技术方案是直接将对比样品和待测样品处于同一个测试环境中，而无需频繁校正仪器。

总之，本发明采用了热平面和热电偶相结合的方法，热电偶直接接触待测样品获取温度，热平面解决了多个待测样品同时测量热导率的问题。热平面和热电偶相互支持，如果没有热平面，尽管热电偶直接接触待测样品，但是由于每个待测样品得到的热辐射不均匀，则热电偶也没有用武之地。

基于以上发明原理，本发明设计了一种用于非金属导热材料的热物性测试装置。一种用于非金属导热材料的热物性测试装置如图2所示，该热物性测试装置包括六面体的方形测试框架1、布设在六面体的方形框架内下方的移动台2和移动台上的铜板2-1；其特点是：还包括布设在该铜板2-1上表面的一字排列的多个等高度且等体积的片状的待测样品3和对比样品4；布设在铜板2-1下表面的铜板2-1和移动台2之间的与每个待测样品3和对比样品4一对一的热电偶装置5；布设在六面体方形测试框架1顶部下表面的、用于对下方多个待测样品3和多个对比样品4进行脉冲式热平面加热的热源装置6；布设在六面体方形框架1以外的用于控制该热源装置形成温度均匀的热平面的微控单元7。

进一步地，所述热源装置6为布设在六面体方形测试框架1以内的顶部下表面的一排阵列能量波发生器6-1，通过计算，当平面阵列能量波发生器的发生器和发生器之间的距离为一个设定值时，能够形成一个温度均匀的热平面，该温度均匀的热平面用于给下方的多个待测样品和多个对比样品均匀加热。

进一步地，所述热源装置6为布设在六面体方形测试框架1顶部的一排热平面阵列能量波发生器、以及一排光栅6-2，当所述一排热平面阵列能量波发生器6-1形成的热平面达不到理想的均匀度时，通过调整一排光栅6-2的狭缝宽度和角度来补偿热平面阵列能量波发生器产生的热平面均匀度。

进一步地，由于通过温度均匀的热平面给下方的待测样品3和对比样品4加热，因此，当布设多个待测样品3或对比样品4时，对于它们之间的间距无需限定，它们之间的间距可以相等，也可以不相等。

进一步地，所述多个热电偶的每个热电偶装置5均为独立的热控制单元，每个独立的控制单元包括一个独立的热电偶、一个独立的控制板、以及一条独立的控制线，所述独立的热电偶用于采集其对应的待测样品3的温度，并通过控制板对采集的温度数据进行数模转换，转换后发送给微控单元7。

进一步地，所述对比样品4为预先测试好已经达到设定导热率的样品，该对比样品用于在和待测样品3相同的测试环境下对比待测样品3的导热率，以解决对比样品4理论值和测试环境实际值的差距。

进一步地，在所述铜板2-1和待测样品3和对比样品4之间还设有导热硅胶2-2，导热硅胶2-2用于将待测样品3和对比样品4粘贴到铜板2-1上。

进一步地，该非金属导热材料包括石墨烯导热膜。

补充说明1：

移动台2和铜板2-1、导热硅胶2-2，它们可以提前在六面体的测试框架1的外面安装好，再推进六面体测试框架1内。

以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于非金属导热材料的热物性测试装置，该热物性测试装置包括六面体的方形测试框架(1)、布设在六面体的方形框架内下方的移动台(2)和移动台上的铜板(2-1)；其特征在于：还包括布设在该铜板(2-1)上表面的一字排列的多个等高度且等体积的片状的待测样品(3)和对比样品(4)；布设在铜板(2-1)下表面的铜板(2-1)和移动台(2)之间的与每个待测样品(3)和对比样品(4)一对一的热电偶装置(5)；布设在六面体方形测试框架(1)顶部下表面的、用于对下方多个待测样品(3)和多个对比样品(4)进行脉冲式热平面加热的热源装置(6)；布设在六面体方形框架(1)以外的用于控制该热源装置形成温度均匀的热平面的微控单元(7)。

2.根据权利要求1所述一种用于非金属导热材料的热物性测试装置，其特征在于：所述热源装置(6)为布设在六面体方形测试框架(1)以内的顶部下表面的一排阵列能量波发生器(6-1)，通过计算，当平面阵列能量波发生器(6-1)的发生器和发生器之间的距离为一个设定值时，能够形成一个温度均匀的热平面，该温度均匀的热平面用于给下方的多个待测样品和多个对比样品均匀加热。

3.根据权利要求1所述一种用于非金属导热材料的热物性测试装置，其特征在于：所述热源装置(6)为布设在六面体方形测试框架(1)顶部的一排热平面阵列能量波发生器(6-1)、以及一排光栅(6-2)，当所述一排热平面阵列能量波发生器(6-1)形成的热平面达不到理想的均匀度时，通过调整一排光栅(6-2)的狭缝宽度和角度来补偿热平面阵列能量波发生器(6-1)产生的热平面均匀度。

4.根据权利要求1所述一种用于非金属导热材料的热物性测试装置，其特征在于：由于通过温度均匀的热平面给下方的待测样品(3)和对比样品(4)加热，因此，当布设多个待测样品(3)或对比样品(4)时，对于它们之间的间距无需限定，它们之间的间距可以相等，也可以不相等。

5.根据权利要求1所述一种用于非金属导热材料的热物性测试装置，其特征在于：所述多个热电偶的每个热电偶装置(5)均为独立的热控制单元，每个独立的控制单元包括一个独立的热电偶、一个独立的控制板、以及一条独立的控制线，所述独立的热电偶用于采集其对应的待测样品(3)的温度，并通过控制板对采集的温度数据进行数模转换，转换后发送给微控单元(7)。

6.根据权利要求1所述一种用于非金属导热材料的热物性测试装置，其特征在于：所述对比样品(4)为预先测试好已经达到设定导热率的样品，该对比样品用于在和待测样品(3)相同的测试环境下对比待测样品(3)的导热率，以解决对比样品(4)理论值和测试环境实际值的差距。

7.根据权利要求1所述一种用于非金属导热材料的热物性测试装置，其特征在于：在所述铜板(2-1)和待测样品(3)和对比样品(4)之间还设有导热硅胶(2-2)，导热硅胶(2-2)用于将待测样品(3)和对比样品(4)粘贴到铜板(2-1)上。

8.根据权利要求1所述一种用于非金属导热材料的热物性测试装置，其特征在于：该非金属导热材料包括石墨烯导热膜。