固体材料导热系数测量装置及测量方法

摘要

本发明公开了一种固体材料导热系数测量装置，包括隔热层（1）和位于隔热层（1）内部按从下到上顺序依次排列的加热板（2）、均热板（3）、温度传感器组（4）、温度传感器组（5）、散热板（6）和恒温板（7），加热板（2）与均热板（3）、散热板（6）和恒温板（7）分别通过导热硅脂粘结为两个整体，温度传感器组（4）安装于均热板（3）的上表面并在均热板（3）的上表面内平均分布，温度传感器（5）安装于散热板（6）的下表面并在散热板（6）的下表面内平均分布；还包括散热板（6）下表面的温度梯度关于散热板（6）下表面的温度的拟合函数，本发明还公开了该装置的测试方法。本申请可快速、准确测量待测试样的导热系数。

说明书

技术领域

本发明属于传热传质技术领域，具体涉及一种适用于固体材料导热系数测量装置及其测量方法。

背景技术

导热系数是傅里叶导热定律中的比例系数，是物质最重要的热物性参数之一，其大小反映了物质的导热能力，在化工、能源、材料、动力和制冷等领域有着广泛应用，是许多工业流程及产品设计中至关重要的一项数据，因此，准确测量不同条件下物质导热系数具有很重要的现实意义。导热系数的大小取决于物质的种类、结构、状态、温度和压力等诸多因素，因此对其进行精确计算十分困难。

目前导热系数的确定仍以实验为主，实验测量导热系数的方法主要分为两大类，即瞬态法和稳态法。

瞬态法是指实验过程中测量温度随时间不断变化，通过测量试样内某些点的温度变化情况，结合其他相关参数，从而确定试样导热系数的方法。瞬态法与稳态法相比，有测量时间短、对环境要求低等优点，但也受到测量方法本身的限制，不能用于测量导热系数不稳定的物质。

稳态法是指当试样上的温度分布达到稳定后，通过测量流过试样的热流量和温度梯度等参数来确定导热系数的方法，该方法的理论基础是傅里叶导热定律，如式（1）所述，

$>\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=-\frac{\mathrm{\lambda A}(T_1-T_2)}{H}---\left(1\right)$>

其中，A：待测试样在垂直于热流方向上的横截面面积；

H：待测试样在平行于热流方向上的厚度；

单位时间内流过横截面面积A的热流量；

T₁：散热板下表面的温度；

T₂：均热板上表面的温度；

λ：待测试样在温度(T₁+T₂)/2处的导热系数；

负号表示热流方向与温度梯度方向相反。

式（1）中，λ是待求量，A、H、T₁和T₂都是未知量，其中的测量是最困难的，其它几个未知量可以直接测量。

目前，的测量通常有以下几种方法：

（1）在绝热条件下，用已知功率大小的热源加热待测试样，待达到稳定状态后，认为此热源的加热功率即为的大小，该方法对绝热条件要求非常高，实施起来有难度；

（2）在待测试样的热面和冷面之间形成一个稳定温差以后，热流从热面流至冷面并被散热器中的冷却水带走，单位时间内冷却水所吸收的热量即为的大小，该方法的测量装置不易简化，且测量过程较为繁琐，容易造成热流损失；

（3）让待测试样的冷面与一块已知质量和比热容的散热板接触，待装置温度稳定时，测量散热板的散热速率，即可求得但散热速率的求解较为困难，且计算量大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述问题，在的第（3）种测量方法的基础上提出一种结构简单、操作简便、可快速准确测量待测试样导热系数且测量精度可控的固体材料导热系数测量装置及其测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种固体材料导热系数测量装置，包括隔热层和位于隔热层内部且按从下到上顺序依次排列的加热板、均热板、两个温度传感器组、散热板和恒温板，加热板与均热板通过导热硅脂粘结为一个整体，散热板和恒温板通过导热硅脂粘结为一个整体，一个温度传感器组安装于均热板的上表面并在该表面内平均分布，另一组温度传感器安装于散热板的下表面并在该表面内平均分布。

进一步地，所述固体材料导热系数测量装置还包括金属外壳，所述金属外壳位于于隔热层的外部。

进一步地，所述固体材料导热系数测量装置还包括一个数据库，所述数据库为散热板下表面的温度梯度关于散热板下表面的温度的拟合函数。

进一步地，基于所述固体材料导热系数测量装置的固体材料导热系数测量方法，包括以下步骤：

步骤1、测量并记录待测试样在垂直于热流方向上的横截面面积A、待测试样在平行于热流方向上的厚度H、散热板的质量m；

步骤2、将上下表面均涂有导热硅脂的待测试样置于固体材料导热系数测量装置的均热板与散热板之间；

步骤3、加热板进行加热，待待测试样上下表面的温度到达稳定状态，即进入稳态后，读取待测试样的上表面即散热板下表面的温度T₁，待测试样的下表面的温度即均热板上表面的温度T₂；

步骤4、将读取的温度T₁带入散热板下表面的温度梯度关于散热板下表面的温度T₁的拟合函数中，即得T₁对应的

步骤5、根据傅里叶导热定律（1）及一维传热规律：

其中，散热板下表面的散热速率；散热板下表面的温度梯度；c_p：散热板的比热容，为已知参数；负号表示热流方向和温度梯度方向相反；

且稳态时有，

得：

$>\lambda =\frac{{\mathrm{Hmc}}_p\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}}{A(T_1-T_2)}---\left(4\right)$>

将步骤4所得的温度梯度及A、H、m、c_p、T₁和T₂带入公式（4）中即得待测试样的λ。

进一步地，所述散热板下表面的温度梯度关于散热板下表面的温度T₁的拟合函数的拟合过程包括以下步骤：

步骤1、测量稳态时散热板下表面的温度T₁，记为T₁₀；

步骤2、将T₁由T₁₀升至T₁₁（T₁₁比T₁₀大3～5℃）后，加热板停止加热；

步骤3、在实验环境下，每隔一定时间间隔记录一下T₁值，直至T₁比T₁₀小3～5℃后停止记录，得到一个时间t与T₁一一对应的数集；

步骤4、对步骤3所得的数集进行数据拟合，得到T₁和t之间的函数关系T₁=T₁(t)，由该拟合函数即可求出T₁₀所对应的t₁₀，进而求出T₁₀相应的即

$>\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{dT}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}{|}_{t=t_{10}}---\left(5\right)$>

步骤5、选取一系列不同T₁值，重复步骤2-4，测得每一个选取的T₁所对应的温度梯度得到一个T₁与一一对应的数集；

步骤6、对步骤5所得的数集进行数据拟合得到关于T₁的拟合函数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明的固体材料导热系数测量装置通过在散热板的上表面设置恒温板，一方面确保待测试样处于一个恒定、均匀的散热环境，另一方面，只要测量装置的散热板的尺寸、属性参数不变，且恒温板的温度不变，所述散热板下表面的温度梯度关于散热板下表面的温度T₁的拟合函数是通用的，即无论是何种待测试样，也不论是否同一台固体材料导热系数测量装置，测量过程中只要测得散热板下表面的温度T₁，便可计算出相应的温度梯度进而求得导热系数；

（2）本发明的固体材料导热系数测量装置通过隔热层的使用保证测量时待测试样自下而上的一维传热，提高测量结果的精确度；

（3）本发明的固体材料导热系数测量装置采用温度传感器组对待测试样上、下表面的温度进行测量，然后取平均值，通过测量的精确度；

（4）本发明的固体材料导热系数测量装置通过在隔热层外部设置一层金属外壳，从而使本装置可以承受一定的外部撞击，提高了装置的使用寿命；

（5）本发明的固体材料导热系数测量装置工作原理简单、运用其测量固体材料导热系数时，操作方法同传统的双平板法，且只需测出待测试样上下表面的温度便可求出其导热系数，操作非常简便、快捷；

（6）采用本申请测量固体材料导热系数时，在拟合函数的拟合过程中，通过控制测量时间间隔的大小便可满足不同的测量精度要求；

（7）本发明的固体材料导热系数测量装置结构简单、制造成本低、易于大批量生产、测量范围广，可广泛用于教学、科研及工程等相关领域导热系数的测量。

附图说明

图1为本发明的固体材料导热系数测量装置的剖面图；

图2为安装试样后的固体材料导热系数测量装置的剖面图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

1-隔热层，2-加热板，3-均热板，4-温度传感器组，5-温度传感器组，6-散热板，7-恒温板，8-金属外壳，9-待测试样。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例中的固体材料导热系数测量装置，包括隔热层1和位于隔热层1内部且按从下到上顺序依次排列的加热板2、均热板3、温度传感器组4、温度传感器组5、散热板6和恒温板7，隔热层1的使用保证测量时待测试样自下而上的一维传热，而均热板和恒温板的使用使待测试样处于一个恒定、均匀的受热和散热环境；为了提高测量时设备安装的便利性，加热板2与均热板3通过导热硅脂粘结为一个整体，散热板6和恒温板7通过导热硅脂粘结为一个整体；温度传感器组4安装于均热板3的上表面并在该表面内平均分布，温度传感器组5安装于散热板6的下表面并在该表面内平均分布，通过温度传感器组（4）、（5）中的多个温度传感器对平面内多个点的温度进行同时测量，然后取平均值，提高了温度的测量精度；为了使本实施例中的固体材料导热系数测量装置可以承受一定的外部撞击，提高其使用寿命，本实施例中的固体材料导热系数测量装置还包括金属外壳8，金属外壳8位于于隔热层1的外部。

为了提高测量效率，本实施例中的固体材料导热系数测量装置还包括一个数据库，所述数据库为散热板6下表面的温度梯度关于散热板6下表面的温度的拟合函数。

采用本实施例中固体材料导热系数测量装置测量材料的导热系数时，被测试材料的受热方式为严格的一维传热，一维传热有如下规律：

其中，散热板6下表面的散热速率；散热板6下表面的温度梯度；c_p：散热板6的比热容，为已知参数；负号表示热流方向和温度梯度方向相反；

且稳态时有，

根据傅里叶导热定律（1）及式（2）、（3）得：

$>\lambda =\frac{{\mathrm{Hmc}}_p\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}}{A(T_1-T_2)}---\left(4\right)$>

以上即为本实施例中的固体材料导热系数测量装置的测量原理。

采用本实施例中的固体材料导热系数测量装置测量固体材料导热系数的方法，主要包括以下步骤：

步骤1、测量并记录待测试样9在垂直于热流方向上的横截面面积A、待测试样9在平行于热流方向上的厚度H和散热板6的质量m；

步骤2、如图2所示，将上下表面均涂有导热硅脂的待测试样9置于固体材料导热系数测量装置的均热板3与散热板6之间；

步骤3、加热板2进行加热，待待测试样9上下表面的温度达到稳定状态，即进入稳态后，读取待测试样9的上表面即散热板6下表面的温度T₁，待测试样9的下表面的温度即均热板3上表面的温度T₂；

步骤4、将读取的温度T₁带入散热板6下表面的温度梯度关于散热板下表面的温度T₁的拟合函数中，即得T₁对应的

步骤5、将步骤4所得的温度梯度及A、H、m、c_p、T₁和T₂带入公式（4）中即得待测试样9的λ。

本实施例中数据库，即散热板6下表面的温度梯度关于散热板6下表面的温度T₁的拟合函数的拟合过程包括以下步骤：

步骤1、测量稳态时散热板6下表面的温度T₁，记为T₁₀；

步骤2、将T₁由T₁₀升至T₁₁（T₁₁比T₁₀大3～5°）后，加热板2停止加热；

步骤3、在实验环境下，每隔一定时间间隔记录一下T₁值，直至T₁比T₁₀小3～5°后停止记录，得到一个时间t与T₁一一对应的数集；

步骤4、对步骤3所得的数集进行数据拟合，得到T₁和t之间的函数关系T₁=T₁(t)，由该拟合函数即可求出T₁₀所对应的t₁₀，进而求出T₁₀相应的即

$>\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{dT}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}{|}_{t=t_{10}}---\left(5\right)$>

但是式（5）所得的温度梯度只是T₁=T₁₀时的温度梯度，只能用于求解T₁=T₁₀时待测试样9的λ，对于不同的T₁值，其所对应的λ也将是不同的，为了减少实时测量不同T₁所对应的的环节，节约测量时间、简化测量过程，有必要获得关于T₁的拟合函数。

步骤5、选取一系列不同T₁值，重复步骤2-4，测得每一个选取的T₁所对应的温度梯度得到一个T₁与一一对应的数集；

步骤6、对步骤5所得的数集进行数据拟合得到关于T₁的拟合函数。

其中，所选取的不同的T₁值包括了稳态时散热板下表面可能出现的所有温度值。

上述数据库可以存储在固体材料导热系数测量装置的存储装置中，测试时通过特定程序即可直接显示待测试样9的λ。

使用本实施例中的固体材料导热系数测量装置导热系数时，温度T₁的测量是待系统达到稳态时测量的，稳态时，散热板6的散热速率就是待测试样9的传热速率，所以其温度梯度与待测试样9的种类无关，因此，只要位于散热板6上部的恒温板7的温度是恒定的，且散热板6的尺寸、属性参数不变，上述所得关于T₁的拟合函数是通用的，也就是说无论何种待测试样9，不论是否同一台固体材料导热系数测量装置，测量过程中只要测得T₁，便可计算出相应的温度梯度进而得出相应的λ。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。