专利名称：一种固体材料导热系数的测量装置的制作方法
技术领域：
本发明是涉及一种导热系数的测量装置，特别涉及测量具有不良导热系数的固体 材料的导热系数的测量装置。
背景技术：
材料的导热系数是研究材料物理性能的一个重要参数指标，在科研，教学，生产等 部门都要求对材料的导热系数进行预测或实测。导热系数是反映材料导热性能的物理量， 它不仅是评价材料的热学性的依据，而且是材料在应用时的一个设计依据，所以在科学实 验和工程技术中对材料的导热系数的测定成为开发新材料的关键。目前测量材料的导热系数主要有以下三种方法
一、激光闪射法。该方法采用的是瞬态法，原理是一束激光打在样品上表面，用红 外检测器测试下表面的温度变化，实际测得的数据是样品的热扩散率，通过与标准样品的 比较同时得到样品的密度和比热，通过公式可计算得到样品的导热系数。该方法优点是测 量快速，采用非接触法，适合高温，高导热的样品，但不适合多层结构、涂层、泡沫、液体、各 向异性材料等。原因是激光法测试的是热扩散率，数学模式建立在各向同性材料的基础上。 另外，还需要用其他方法测得密度，才能折算为导热系数，增加了误差的来源。关于此方法 有关专利或文献是这样介绍的，如“用激光脉冲法测量石墨材料的导热系数”，(杨洪利，甘 肃冶金，1998年1期第39-44页)，论述了通过用激光脉冲法测石墨材料导热系数，并对激光 脉冲法测石墨材料导热系数仪器设备进行了调试和实测数据分析。二、导热系数法(Hot Disk (TPS技术))该方法采用的同样是瞬态法，原理是利用 热阻性材料——镍做成一个平面的探头，同时作为热源和温度传感器。镍的热阻系数与温 度和电阻的关系呈线性关系，即通过了解电阻的变化可以知道热量的损失，从而反映样品 的导热性能。通过记录温度与探头的响应时间，材料的这些特性可以被计算出来。由数学 模型可以直接得到导热系数和热扩散系数，两者的比值得到体积比热。优点是快速，便捷， 无须特别的样品制备，可用于原位/单面测试，适用于固体、粉末、液体、涂层、蜂窝材料等 多种类型的样品，但受探头表面涂层的限制，温度范围只能到700° C，且探头成本较高，设 计复杂，不能有效推广。关于此方法有关专利或文献是这样介绍的“智能式热线导热系数 测量仪” 1988年7月27日公告的中国专利第87213622号，根据热线法测定材料导热系数 的方法是将一根由镍铬构成的热阻丝，设置在被测试的材料内，然后通电加热，通过焊在被 测试材料内的热阻丝上的热电偶取出被测试材料的温度信号，然后输入给信号处理，最终 测得材料的导热系数。三、温度梯度法。该方法是将待测样品置于一热源与一低温制冷装置之间，测量其 间形成的温度梯度，从而计算出材料的导热系数。理想状态下，热源的所有热量通过待测样品传递至低温制冷端，但实际上会不可 避免的有一部分热量从其它方向散出，从而导致测量误差，降低测量的准确度。因此，此种 方法的测量精度主要取决于如何降低热量在传递过程中从其它方向散出，一般会使用绝热材料做为绝热层用以将热源与外界隔绝，尽量减少热量的损失，但是仍会有部分热量向外 传导。关于此方法有关专利或文献是这样介绍的“测量导热系数的装置”，2005年8月24 日公告的中国专利申请号200410015458.0，依据温度梯度原理，利用抽真空系统将内部气 体排出，又利用碳纳米管径向不导热的特性，使得热量只能向预定方向传递。又如“一种良 导体导热系数测量仪”2008年6月11日公告的中国专利号200720063809. 4，其装置是将待 测材料的热端装有加热器，冷端紧贴冷却装置，可用设定调节旋钮用以控制热源或冷端温 度。鉴于此，本发明针对现有技术的不足，设计一种新的固体材料导热系数测量装置， 克服上述方法中误差大、操作复杂、准确度低以及成本高等缺点。

发明内容
本发明的目的是提供一种易操作、低成本、稳定性好，绝热性优良，可准确测量固 体或胶状样品的固体材料导热系数测量装置，用于对固体材料的导热系数进行精确测量。本发明提供一种固体材料导热系数的测量装置，其中包括密闭的真空腔，真空腔 通过抽气管与外部抽真空装置相连；设置在真空腔内的加热源；分别紧贴所述加热源两侧 的第一金属块和第二金属块；第三金属块和第四金属块，所述第一金属块与第三金属块之 间形成一置物空间，所述第二金属块与第四金属块之间形成另一置物空间，置物空间用来 放置待测量固体材料；设置在第三块金属块和第四块金属块外侧的冷却装置；温度测量 器，所述温度测量器设置在各金属块上，用来测量金属块的温度。本发明提供一种固体材料导热系数的测量装置，真空腔侧面设置有开口，待测量 固体材料通过开口被放置到置物空间内，开口由侧盖封闭。本发明提供一种固体材料导热系数的测量装置，温度测量器通过输出导线，与真 空腔外的数据采集系统连接。本发明提供一种固体材料导热系数的测量装置，加热源是电加热源，进一步包括: 云母板或云母片及缠绕在其上的电阻发热丝，以及作为支架保护外壳的金属板；加热源以 云母板或云母片为骨架和绝缘层，金属板为镀锌板或不锈钢板，所述金属板为板状、片状、 圆柱状、圆锥状、筒状、圆圈状。本发明提供一种固体材料导热系数的测量装置，其中金属块的表面被抛光。本发明提供一种固体材料导热系数的测量装置，其中金属块的表面涂覆有防辐射涂层。本发明提供一种固体材料导热系数的测量装置，用绝热材料制造的固定装置，将 热源、铜块、冷却装置紧固在真空腔内，绝热材料为复合硅酸铝镁化合物，陶瓷或气凝胶材 料。本发明提供一种固体材料导热系数的测量装置，冷却装置为半导体制冷装置、风 扇或水循环制冷装置中的一种或几种。本发明提供一种固体材料导热系数的测量装置，各金属块具有相同的横截面积。本发明提供一种固体材料导热系数的测量装置，温度测量器为热电隅或数字式温 度传感器。本发明的装置以热源为中心，呈上下完全对称型设计，使热量可以均衡的向带有冷却装置的两端垂直扩散。从而可避免从单边或四周扩散，且更精确的获得测量值。又因 该装置放置在真空系统内，利用抽真空系统将内部气体排出，可排除气体的不良影响，可提 高最终测量精度。本发明与现有技术相比，具有操作方便，成本低的优点，稳定性好，绝热性优良，测 试速度快，测量的导热系数范围广，可适用于固体或胶状样品的导热系数的准确测量。


图1为本发明实例中固体材料导热系数测量装置的立体示意图。图2为本发明实例中固体材料导热系数测量装置的内部结构示意图。图3为本发明实例中固体材料导热系数测量装置的金属块立体示意图。图4为本发明实例中固体材料导热系数测量装置的冷却装置立体示意图。图5为本发明实例中固体材料导热系数测量装置的加热片的结构示意图。图6为本发明实例中固体材料导热系数测量装置的测量系统示意图。图7为实例中固体材料导热系数测试仪的试样测试数据曲线图。
具体实施例方式以下结合说明书附图及具体实施方式
对本发明作进一步详细说明
请参阅图1，即本发明实例中固体材料导热系数的测量装置的立体示意图。该装 置包括，真空腔1，真空腔1为一圆柱形密封容器，其具有一可封闭真空腔1上开口 A (参阅 图2)的侧盖2，该侧盖2可打开或闭合，以便于将待测样品通过开口 A放入真空腔1或从真 空腔1中取出。另外，一抽气管3的一端延伸至真空腔1的内部空间，另一端与抽真空装置 (图未示)相连。可将真空腔1内抽成真空，排除气体的不良影响，使得热量只能向预定方向 传递。并利用ZJ-32型超高真空规管(B-A)裸规探测真空腔1内的真空度。请参阅图2，是本发明实例中固体材料导热系数测量装置的内部结构示意图。在真 空腔体1内，包括加热源4，分别紧贴加热源4两侧的第一铜块5和第二铜块6 ；第三铜块7 和第四铜块8，第一铜块5与第三铜块7之间形成放置待检测样品9的置物空间9’，第二铜 块6与第四块铜块8之间形成放置另一待检测样品10的置物空间10’ ；在第三块铜块7和 第四块铜块8外侧各设置有作为冷却装置的冷却装置11、12。在第一铜块到第四铜块5，6， 7，8上各设置有温度测量器13，用来测量金属块的温度。参阅图5为本实例中固体材料导热系数测量装置的加热片的结构示意图。在真空 腔1中的加热源4，是由电阻发热丝21缠绕绝缘性能和耐高温性能都良好的云母片22，辅 直径为3cm的圆圈状铜块作支持保护。如图5中所示，把云母片22剪成圆片，在其上绕电 阻发热丝21，电阴发热丝的直径为0. 5mm。上述结构被制成后，上下再用圆云母片22夹上， 云母片厚度为1mm，再用铜板夹上，最后用环氧树脂固封。加热片采用恒定的电压或恒定 的功率。其中第一铜块到第四铜块5、6、7、8均以底面积直径为3cm，高为5mm的圆柱形铜 块。待检测样品9、10是底面积直径为3cm，高为Icm的圆柱形固体材料。其中作为冷却装 置的半导体制冷装置，其所用尺寸规格为长3 cmX宽3 cmX高1 cm的长方体。参阅图3为本实例中固体材料导热系数测量装置的铜块立体示意图。图3中的铜块为第一铜块到第四铜块中的一块，其侧表面14上涂覆有防辐射涂层，可减少因热辐射 造成的热量损失。铜块的上、下表面15、16经过抛光技术处理，使得铜块的上、下表面15、16 更加光滑，在与其它组件接触时更紧密，减小界面热阻。图4为本实例中固体材料导热系数测量装置的冷却装置的立体示意图。冷却装置 11可以采用了半导体制冷装置和风扇组成简易的散热系统，半导体与风扇之间用硅胶粘 结。使真空腔体内的两端温度降低，且大大的减小了体积。如图2所示，其中各组件之间是紧密贴着的，11的上表面17紧贴着真空腔体内上 端的下表面。冷却装置12的下表面紧18贴着真空腔体内下端的上表面。当测试时，打开真空腔体1的侧盖2，将两相同的待检测样品9、10通过开口 A分别 置于真空腔体1内的第一铜块5和第三铜块7之间的置物空间9’和第二铜块6和第四铜 块8之间的置物空间10’。盖上侧盖2，开启抽真空装置，通过抽气管3将真空腔1内的空 气抽到IX 10_4 lX10_5pa范围的真空度。另外，在第一铜块到第四铜块5、6、7、8的一侧面贴近样品处，设置温度测量器13 的探头，当传热达到稳定状态，所测得的温度分别为T1、T2、T3、T4.此时第一铜块5和第三 铜块7之间，第二铜块6和第四8之间应为等间距，且约为待测样品厚度d。
权利要求
一种固体材料导热系数的测量装置，其中包括密闭的真空腔，所述真空腔通过抽气管与外部抽真空装置相连；设置在真空腔内的加热源；分别紧贴所述加热源两侧的第一金属块和第二金属块；第三金属块和第四金属块，所述第一金属块与第三金属块之间形成一置物空间，所述第二金属块与第四金属块之间形成另一置物空间，所述置物空间用来放置待测量固体材料；设置在第三块金属块和第四块金属块外侧的冷却装置；温度测量器，所述温度测量器设置在各金属块上，用来测量金属块的温度。
2.如权利要求1所述的固体材料导热系数的测量装置，其特征在于所述真空腔侧面 设置有开口，待测量固体材料通过所述开口被放置到所述置物空间内，所述开口由侧盖封 闭。
3.如权利要求1所述的固体材料导热系数的测量装置，其特征在于，所述温度测量器 通过输出导线，与真空腔外的数据采集系统连接。
4.如权利要求1所述的固体材料导热系数的测量装置，其特征在于，所述加热源是电 加热源，进一步包括云母板或云母片及缠绕在其上的电阻发热丝，以及作为支架保护外壳 的金属板；所述加热源以云母板或云母片为骨架和绝缘层，所述金属板为镀锌板或不锈钢 板，所述金属板为板状、片状、圆柱状、圆锥状、筒状、圆圈状。
5.如权利要求1所述的固体材料导热系数的测量装置，其特征在于，其中所述金属块 的表面被抛光。
6.如权利要求1所述的固体材料导热系数的测量装置，其特征在于，其中所述金属块 的表面涂覆有防辐射涂层。
7.如权利要求1所述的固体材料导热系数的测量装置，其特征在于，用绝热材料制造的固定装置，将所述热源、铜块、冷却装置紧固在真空腔内，所述绝热 材料为复合硅酸铝镁化合物，陶瓷或气凝胶材料。
8.如权利要求1所述的固体材料导热系数的测量装置，其特征在于，所述冷却装置为 半导体制冷装置、风扇或水循环制冷装置中的一种或几种。
9.如权利要求1所述的固体材料导热系数的测量装置，其特征在于，所述各金属块具 有相同的横截面积。
10.如权利要求1所述的固体材料导热系数的测量装置，其特征在于，所述温度测量器 为热电隅或数字式温度传感器。
全文摘要
一种固体材料导热系数的测量装置，其中包括密闭的真空腔，真空腔通过抽气管与外部抽真空装置相连；设置在真空腔内的加热源；分别紧贴所述加热源两侧的第一金属块和第二金属块；第三金属块和第四金属块，所述第一金属块与第三金属块之间形成一置物空间，所述第二金属块与第四金属块之间形成另一置物空间，置物空间用来放置待测量固体材料；设置在第三块金属块和第四块金属块外侧的冷却装置；温度测量器，所述温度测量器设置在各金属块上，用来测量金属块的温度。本发明的装置能更精确地获得测量值，可提高最终测量精度。
文档编号G01N25/20GK101949873SQ20101050225
公开日2011年1月19日 申请日期2010年10月11日 优先权日2010年10月11日
发明者孙卓, 孙新形, 张明昌, 潘丽坤, 郭平生, 陈晓红 申请人:华东师范大学