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导热系数的两大类测量方法介绍

点击次数:8099  发布时间:2021-04-26
导热系数是指单位时间内在单位温度梯度下沿热流方向通过材料单位面积传递的热量。单位为瓦每米开尔文[W/(m·K)] 。根据导热机理不同,导热系数测量方法分为稳态法和瞬态法(也叫做非稳态法)两大类。
 
1、稳态法
 
稳态法是经典的保温材料的导热系数测定方法,至今仍受到广泛应用。其原理是利用稳定传热过程中,传热速率等于散热速率的平衡状态,根据傅里叶一维稳态热传导模型,由通过试样的热流密度、两侧温差和厚度,计算得到导热系数。原理简单清晰,精确度高,但测量时间较长,对样品和环境条件要求较高。
 
(1) 热流法
将厚度一定的方形样品(例如长宽各30cm,厚10cm)插入于两个平板间,设置一定的温度梯度。使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流。测量样品厚度、温度梯度与通过样品的热流便可计算导热系数。
 
(2) 保护热流法导热仪
其测量原理几乎与普通的热流法导热仪相同。不同之处是测量单元被保护加热器所包围,因此测量温度范围和导热系数范围更宽。
 
(3) 保护热板法导热仪
热板法或保护热板法导热仪的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似。热源位于同一材料的两块样品中间。使用两块样品是为了获得向上与向下方向对称的热流,并使加热器的能量被测试样品*吸收。测量过程中,精确设定输入到热板上的能量。通过调整输入到辅助加热器上的能量,对热源与辅助板之间的测量温度和温度梯度进行调整。热板周围的保护加热器与样品的放置方式确保从热板到辅助加热器的热流是线性的、一维的。辅助加热器后是散热器,散热器和辅助加热器接触良好,确保热量的移除与改善控制。测量加到热板上的能量、温度梯度及两片样品的厚度,应用Fourier方程便能够算出材料的导热系数。
2、动态(瞬时)测量法
 
动态测量法是最近几十年内开发的导热系数测量方法,用于研究中、高导热系数材料,或在高温度条件下进行测量。动态法的特点是精确性高、测量范围宽(高能达到2000℃)、样品制备简单。
 
(1) 热线法:
热线法是在样品(通常为大的块状样品)中插入一根热线。测试时,在热线上施加一个恒定的加热功率,使其温度上升。测量热线本身或与热线相隔一定距离的平板的温度随时间上升的关系。
测量热线的温升有多种方法。其中交叉线法是用焊接在热线上的热电偶直接测量热线的温升。平行线法是测量与热线隔着一定距离的一定位置上的温升。热阻法是利用热线(多为铂丝)电阻与温度之间的关系测量热线本身的温升。一般来说,交叉线法适用于导热系数低于2W/m·K的样品,热阻法与平行线法适用于导热系数更高的材料,其测量上线分别为15 W/m·K与20W/m·K。
 
(2) 激光闪射法:
激光闪射法直接测量材料的热扩散性能。在已知样品比热与密度的情况下,便可以得到样品的导热系数。
应用激光闪射法时,样品在炉体中被加热到所需的测试温度。随后,由激光器产生的一束短促激光脉冲对样品的前表面进行加热。热量在样品中扩散,使样品背部的温度上升。用红外探测器测量温度随时间上升的关系。 根据非稳态导热过程的数学模型,即可确定试样的热扩散率。
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