专利名称：测量高导性热性固体材料热导率的装置及其测量方法
技术领域：
本发明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，热导本^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Λ因此，在热导率测定中的关键问题就是
graa
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3 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IOmm厚度的铝板两侧建立起5°C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3 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
技术问题本发明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及其测量方法，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，本发明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勻的隔热材料覆盖。本发明还提供了一种测量高导热性固体材料热导率的方法，该方法包括如下步骤
使被测的高导热试件中间温度和边缘温度的差Aimsi在10°C 20°C之间，并保持该输出功率不变，
观察被测的高导热试件的中间温度和边缘温度的差的变化，当A^k的数值稳定后，记录一段时间内的电圧电流和的中间温度和边缘温度的差ASmffi ,并分别计算该时间段内的平均温差和平均加热功率^ ,Tw = Vl,
计算被测高导热试件的热导率i。优选的，当被测高导热试件的截面是矩形时，计算被测高导热试件的热导率i的
P u
方法为，； = :Γ7^，其中，被测的高导热试件中间温度和边缘温度在一段时间内的差
Aiswst，所述一段时间内的平均加热功率￥，被测高导热试件横截面积j，被测高导热试件非加热段的长度双。优选的，当被测高导热试件的形状是圆形时，计算被测高导热试件的热导本^的方法为，
A = ^^lnf^+1
2碰5腿U
的差Δ《κ，所述一段时间内的平均加热功率$，被测高导热试件加热段长度“彼测高导热试件非加热段的长度//，被测高导热试件厚度 。优选的，当被测高导热试件的形状是正方形时，计算被测高导热试件的热导率i 的方法为，
k fl*
Λ =其中，被测的高导热试件中间温度和边缘温度在一段时间内的差^ Λ ，
5
,其中，被测的高导热试件中间温度和边缘温度在一段时间内P
所述一段时间内的平均加热功率F , 3 = 1时被测高导热试件最大过余温度值和最小过
tW Η
余温度之差的理论值Δ宅,被测高导热试件非加热段的长度ι彼测高导热试件厚度5。优选的，Δ的数值达到稳定的时间与被测材料有关，典型的时间为2(Γ30分钟。优选的，记录一段时间内的电压F、电流，和的中间温度和边缘温度的差A^ffi , 记录时间为10分钟。有益效果根据本项发明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；依据本发明的方法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。根据本项发明提出的方法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。根据本项发明提出的方法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。
图1是本发明的一维薄板或细杆试件的测量系统结构示意图。图2是本发明的圆盘的测量系统结构示意图。图3是本发明的二维薄板测量系统原理示意图。图4是本发明的基本系统结构及测量系统示意图。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。
具体实施例方式下面将参照附图对本发明进行说明。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被厚度均勻的隔热材料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所示的横截面积力4周长为P、总长为2￡ + 2Af的薄板(或细杆)试件，由
中部长度为2￡、总功率为、4 (热流密度g =)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A，根据热传导理论，该试件上的过余温度口的分布遵循以下微分方程
权利要求
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)被厚度均勻的隔热材料(2)覆至ΓΤΠ ο
2.一种测量高导热性固体材料热导率的方法，其特征在于该方法包括如下步骤 使被测的高导热试件(1)中间温度和边缘温度的差在10°C、°C之间，并保持该输出功率不变，观察被测的高导热试件(1)的中间温度和边缘温度的差的变化，当的数值稳定后，记录一段时间内的电压F、电流/和的中间温度和边缘温度的差^Isk ,并分别计算该时间段内的平均温差Δ乡·和平均加热功率而,Pw = Vl ,分别计算被测高导热试件(1)的截面是矩形时、被测高导热试件(1)的形状是圆形时、 被测高导热试件(1)的形状是正方形时热导率Λ。
3.根据权利要求2所述的测量高导热性固体材料热导率的方法，其特征在于当被测高导热试件(1)的截面是矩形时，计算被测高导热试件(1)的热导率Λ的方法为， Λ =—=，其中，被测的高导热试件(1)中间温度和边缘温度在一段时间内的差、。，所述一段时间内的平均加热功率^，被测高导热试件(1)横截面积J，被测高导热试件(1)非加热段的长度丑。
4.根据权利要求2所述的测量高导热性固体材料热导率的方法，其特征在于当被测高导热试件(1)的形状是圆形时，计算被测高导热试件(1)的热导率Λ的方法为， ,其中，被测的高导热试件(1)中间温度和边缘温度在一段时间内的差A^ttffi ,所述一段时间内的平均加热功率瓦,被测高导热试件(1)加热段长度L，被测高导热试件(1)非加热段的长度H，被测高导热试件(1)厚度
5.根据权利要求2所述的测量高导热性固体材料热导率的方法，其特征在于当被测高导热试件(1)的形状是正方形时，计算被测高导热试件(1)的热导率Λ的方法为，Λ = ^^ ,其中，被测的高导热试件(1)中间温度和边缘温度在一段时间内的差 ,所述一段时间内的平均加热功率$ , ^T=I时被测高导热试件(1)最大过余温度值和最小过余温度之差的理论值Δ《κ，被测高导热试件(1)非加热段的长度Ji，被测高导热试件(1)厚度J。
6.根据权利要求2到5所述任一项所述的测量高导热性固体材料热导率的方法，其特征在于的数值达到稳定的时间与被测材料有关，典型的时间为2(Γ30分钟。
7.根据权利要求2到5所述任一项所述的测量高导热性固体材料热导率的方法，其特征在于记录一段时间内的电压F、电流/和的中间温度和边缘温度的差,记录时间为10分钟。
全文摘要
本发明公开了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)。本发明还提供了一种测量高导热性固体材料热导率的方法。本发明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。
文档编号G01N25/20GK102384928SQ20111023993
公开日2012年3月21日 申请日期2011年8月22日 优先权日2011年8月22日
发明者唐慕萱, 张辉 申请人:东南大学