CN202275065U - 测量高导性热性固体材料热导率的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测量高导性热性固体材料热导率的测量装置，其特征在于：该装置包括相对设置的第一隔热材料（21）和第二隔热材料（22），夹设在第一隔热材料（21）和第二隔热材料（22）之间的被测的高导热试件（1），设在被测的高导热试件（1）上的薄膜加热器（3），设在薄膜加热器（3）中心的中间温度传感器（4），设在被测的高导热试件（1）边缘的边缘温度传感器（5），其中，被测的高导热试件（1）的中部覆盖薄膜加热器（3）。本实用新型还提供了一种测量高导热性固体材料热导率的方法。本实用新型提出的装置和方法能测定高导热性固体材料的热导率，并且达到较高的测量精度。

Description

测量高导性热性固体材料热导率的装置

技术领域

本实用新型涉及固体材料热导率测定的热物理科学领域和材料科学领域，特别针对于高导热性材料(如金属及合金)的热导率的测定方法。 

背景技术

材料热导率是材料的重要物理性质，尤其新材料的热导率是热物理科学领域和材料科学领域共同关注的基础数据之一，因为它会直接影响材料或结构的导热性能和力学性能。 

根据热传导理论，热导率λ可以通过测定某个截面的热流密度 

和该处的温度梯度，依据傅里叶定律计算出来，即 

因此，在热导率测定中的关键问题就是准确量热和测温。 

测定热导率的基本原理都是将被测材料置于特定的边界条件下，测定通过的热流量以及特征点(或面)上的温度或温度变化率，再根据在该边界条件下热传导方程的解计算出热导率。例如，常用的稳态平板法就是使被测材料置于一维的稳态导热条件下，测量通过的热流密度和两侧的温差，在根据一维稳态导热的计算公式获得热导率；而准稳态平板法则是根据恒热流加热条件下，在准稳态阶段通过测定加热面和绝热面之间的温差以及加热面的热流密度来计算出热导率。 

测定热导率的方法可以依据其测量原理分为稳态法和非稳态法。稳态法包括稳态平板法、稳态圆管法、稳态圆球法、稳态热线法和稳态长杆法等。稳态法的优点是测量原理简单，精度较高，设备的主体结构易于制造，其缺点是测试周期较长，并且为了准确量热和维持稳态的工况而采取的辅助措施使得设备及控制系统比较复杂。非稳态法包括正规工况平板法、准稳态平板法、准稳态圆管法、瞬态热线法、(激光)脉冲热源法以及由瞬态热线法衍生出的3ω方法等。非稳态方法的主要优点是测试周期短、设备结构简单等，但由于加热器及温度传感器的热惯性的影响，量热和温度测量精度不高，使热导率的测量精度不及稳态法。 

相对于隔热材料而言，高导热性材料热导率的测定比较困难。为了抑制传感器误差和接触热阻对测量得到的温差的影响，必须设法使试件中通过很大的热流密度才能在两端建立起足够的温差。例如在10mm厚度的铝板两侧建立起5℃的温差需要施以118kW·m^-2的热流密度，而为了控制原理误差，试件又不能太厚，这在实际测量中是非常困难的。长杆法虽可以提高两端的温差，但是长杆的边界难以控制，散热造成的量热误差亦很难估算。非稳态方 法中的(激光)脉冲热源法及3ω方法可以用于高导热材料热导率的测量，但系统实现比较复杂，造价较高。 

综上所述，目前缺乏简便易行的测量高导热材料热导率的方法和仪器。 

发明内容

技术问题：本实用新型的目的在于提供一种测量高导性热性固体材料热导率的装置，通过测量施加给薄板试件局部的热功率及在试件上形成的最大温差计算出热导率。 

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型提出一种测量高导热性固体材料热导率的测量装置，该装置包括相对设置的第一隔热材料和第二隔热材料，夹设在第一隔热材料和第二隔热材料之间的被测的高导热试件，设在被测的高导热试件上的薄膜加热器，设在薄膜加热器中心的中间温度传感器，设在被测的高导热试件边缘的边缘温度传感器，其中， 

被测的高导热试件的中部覆盖薄膜加热器，高导热试件、薄膜加热器、中间温度传感器、边缘温度传感器被厚度均匀的隔热材料覆盖。 

有益效果：根据本实用新型提出高导热性固体材料热导率的测定方法原理可靠、算法简单；依据本实用新型制造的仪器成本低廉，所采用材料及仪表在市场上极易获得。 

根据本实用新型能测定高导热性固体材料的热导率。由于测试原理本身对于周边散热条件的不敏感性，因而可以达到较高的测量精度。 

根据本实用新型所制造的测试装置具有结构简单、计算快捷、测量周期短和制造成本低廉的优点，极便于制成实现小型化、智能化的桌面式或便携式仪器。 

附图说明

图1是本实用新型的一维薄板或细杆试件的测量系统结构示意图。 

图2是本实用新型的圆盘的测量系统结构示意图。 

图3是本实用新型的二维薄板测量系统原理示意图。 

图4是本实用新型的基本系统结构。 

以上的图中有：被测的高导热试件1，隔热材料2、第一隔热材料21、第二隔热材料22、薄膜加热器3、中间温度传感器4、边缘温度传感器5，可调直流稳压电源6，直流电压表7，直流电流表8，温度检测仪9和温度检测仪10。 

具体实施方式

下面将参照附图对本实用新型进行说明。 

该装置包括相对设置的第一隔热材料21和第二隔热材料22，夹设在第一隔热材料21和第二隔热材料22之间的被测的高导热试件1，设在被测的高导热试件1上的薄膜加热器3，设在薄膜加热器3中心的中间温度传感器4，设在被测的高导热试件1边缘的边缘温度传感器5，其中， 

被测的高导热试件1的中部覆盖薄膜加热器3，高导热试件1、薄膜加热器3、中间温度传感器4、边缘温度传感器5被厚度均匀的隔热材料2覆盖。 

采用紧贴在薄板(或细杆)试件和隔热材料之间的薄膜加热器对试件局部进行加热并计量加热功率，用温度传感器和二次仪表测量最高温度点和最低温度点的温度，再根据加热功率、两点上测得的温差、试件和加热器的几何尺寸计算出试件的热导率。 

在图1所示的横截面积为A、周长为P、总长为2L+2H的薄板(或细杆)试件，由中部长度为2L、总功率为P_W(热流密度q＝P_W/LP)的薄膜加热器加热，试件通过保温材料向环境散热。设通过保温材料向环境散热的折算对流传热系数为h，根据热传导理论，该试件上的过余温度θ的分布遵循以下微分方程 

${\▿}^2\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{hP}}{\mathrm{\λA}}{L}^2\mathrm{\θ}+\frac{P_{W}L}{\mathrm{\λA}}=0$ 加热段 

                        (1) 

${\▿}^2\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{hP}}{\mathrm{\λA}}{L}^2\mathrm{\θ}=0$ 非加热段 

由于式(1)是线性方程，在一端为对称边界条件(绝热边界条件)和另一端第三类齐次边界条件下，它的解和以下过余温度θ*的方程在相同边界条件下的解成 

倍数关系 

${\▿}^2{\mathrm{\θ}}^{*}-\frac{\mathrm{hP}}{\mathrm{\λA}}{L}^2{\mathrm{\θ}}^{*}+1=0$ 加热段 

                        (2) 

${\▿}^2{\mathrm{\θ}}^{*}-\frac{\mathrm{hP}}{\mathrm{\λA}}{L}^2{\mathrm{\θ}}^{*}=0$ 非加热段 

即 

同时 

成立。其中Δθ_max和 

分别是θ和θ^*在试件上的最大值和和最小值之差，即试件对称面上最高温度点和端部的最低温度点的温差。 

令 可以通过解析方法，根据边界条件求出方程(2)的过余温度。由温度分布的解可知对称面上最高温度点和端部的最低温度点的温差仅与m， 

有关，即 

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\max }^{*}=f(m,\frac{H}{L})---\left(3\right)$

在高导热系数、薄板(或细杆)及因保温材料的存在而导致的低折算对流传热系数h的条件 下， 是很小的值。通过数学理论可以证明，在m＝0～2的范围内，m的变化对 

的影响小于0.5％，可以忽略不计。对于图1中的薄板或细杆结构，可用 

近似表达式(3)；而对于图2中圆盘型结构，  $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\max }^{*}=\frac{\frac{\mathrm{\δ}}{L}+2\frac{\mathrm{\δ}}{L}\ln (\frac{H}{L}+1)+(\frac{H}{L}+1)\ln (\frac{H}{L}+1)}{2\mathrm{\π}(2\frac{\mathrm{\δ}}{L}+\frac{H}{L}+1)}.$ 当 

时，对于图1中的结构， 

而对于图2圆盘型结构， 

$\mathrm{\λ}=\frac{P_W\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\max }^{*}}{\mathrm{\δ\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\max }}=\frac{P_W}{2\mathrm{\π\δ\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\max }}\ln (\frac{H}{L}+1),$ 其中δ为试件的厚度。 

以上测试原理不仅适用于图1中的一维薄板(或细杆)的结构和图2中的圆盘结构，同时也适用于图3中的二维规则结构或其它不规则的薄板结构。根据对薄板试件的热传导的理论分析，热导率 

需要根据被测试件的结构参数采用数值方法计算出来。 

本实用新型是基于以上原理的针对高导热性固体材料的稳态测量方法，具体的实现方法和工作过程为： 

1.)在被测的固体材料薄板(或细杆)试件1的中部覆盖薄膜加热器3， 

2.)在试件中间和端部分别安装中间温度传感器4、边缘温度传感器5， 

3.)用厚度均匀的保温材料2将试件1、薄膜加热器2、温度传感器覆盖， 

4.)按照图4中的接线方法直流可调电源6与加热器2、直流电流表8串联，将直流电压表与加热器并联， 

5.)将中间温度传感器4、边缘温度传感器5分别与温度检测仪9和温度检测仪10相连结， 

6.)打开直流电源6的开关，调节输出电压，使温度检测仪9和温度检测仪10检测的中间温度和边缘温度的差Δθ_max在10℃～20℃之间为宜，并保持该输出功率不变， 

7.)观察温度检测仪9和温度检测仪10检测的中间温度和边缘温度的差Δθ_max的变化，当Δθ_max的数值稳定后(达到稳定的时间与被测材料有关，典型的时间为20～30分钟)，记录一段时间内(典型值为10分钟)的电压V、电流I和的Δθ_max，并分别计算该时间段内的平 均温差 

和平均加热功率 

8.)按照 

(薄板和或细杆，见图1)或 (圆盘，见图2)或 (二维系统，见图3)计算被测材料的热导率。 

本实用新型不仅可用于高导热性材料(如金属)一维试件(薄板和或细杆，见图1；圆盘，见图2)的热导率测定，可以用二维测试系统(见图3)测定规则或非规则薄板试件的热导率。 

典型的实施方案之一如下所述。薄膜加热器3采用不锈钢膜照相蚀刻而成，隔热材料2采用聚四氟乙烯用机械或注塑加工制成，中间温度传感器4和边缘温度传感器5可以采用K型热电偶，直流电源5可以采用精密直流稳压电源(如深圳朗普的YJ-42型)，电压表7采用精密数字电压表(如乾峰电子的的PZ158型)，电流表8采用精密数字电流表(如乾峰电子的PA15A型)，温度检测仪9和温度检测仪10可选用数字式温度显示仪(如朝阳仪表的XMT-3000)。 

典型的实施方案之二如下所述。薄膜加热器3采用康铜膜照相蚀刻而成，隔热材料2采用聚氯乙烯用机械或注塑加工制成，中间温度传感器4和边缘温度传感器可以采用薄片型Pt100热电阻，直流电源可以采用精密直流稳压电源(如深圳朗普的YJ-42型)，电压表7和电流表8合并采用SPA型直流功率表替代，温度检测仪9和温度检测仪10可选用数字式温度显示仪(如朝阳仪表的XMT-3000)。 

典型的实施方案之三如下所述。薄膜加热器3采用不锈钢膜照相蚀刻而成，隔热材料2采用聚四氟乙烯用机械或注塑加工制成，中间温度传感器4和边缘温度传感器5可以采用K型热电偶，直流电源可以程控直流稳压电源(如亚锐电子的PMS3600)，电压表7采用总线式模拟量数据采集模块(如研华的ADAM4017型)，电流表8可以采用串联标准电阻测电压方式实现，与电压表7采用同一模拟量数据采集模块，精密数字电流表(如乾峰电子的PA15A型)，温度检测仪9和温度检测仪10可选用总线式热电偶温度采集模块(如研华的ADAM4018型)。将程控电源、作为电压表和电流表的模拟量数据采集模块及作为温度检测仪的热电偶温度采集模块通过RS485总线连接，并通过RS232/485转换器与PC机接口，即可构成可由PC程控的测试系统。 

典型的实施方案之四如下所述。薄膜加热器3采用康铜膜照相蚀刻而成，隔热材料2采用聚氯乙烯用机械或注塑加工制成，中间温度传感器4和边缘温度传感器5可以采用薄片型Pt100热电阻，以单片机(如TI的LM3S615或MSP430)为核心构成测控系统，直流电源可 以采用市售的开关电源供电，通过单片机的PWM管脚和可控硅控制输出到薄膜加热器3电压，将电压和电流信号经过分压和取压电路分别接入单片机的A/D转换管脚起到电压表7，电流表8的作用，将热电阻温度传感器的电压信号经调理放大后接入单片机的A/D转换管脚，代替温度检测仪9和温度检测仪10，采用具有串行接口液晶触控显示器(如北京Dwin的DWT48270T043)作为人机界面实现控制操作和显示，构成了基于单片机的测试仪器。 

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，本实用新型的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本实用新型所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。 

Claims (1)

1.一种测量高导热性固体材料热导率的测量装置，其特征在于：该装置包括相对设置的第一隔热材料（21）和第二隔热材料（22），夹设在第一隔热材料（21）和第二隔热材料（22）之间的被测的高导热试件（1），设在被测的高导热试件（1）上的薄膜加热器（3），设在薄膜加热器（3）中心的中间温度传感器（4），设在被测的高导热试件（1）边缘的边缘温度传感器（5），其中，被测的高导热试件（1）的中部覆盖薄膜加热器（3），高导热试件（1）、薄膜加热器（3）、中间温度传感器（4）、边缘温度传感器（5）被厚度均匀的隔热材料（2）覆盖。

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