专利名称：测量高导性热性固体材料热导率的装置的制作方法
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
丄
梯度，依据傅里叶定律计算出来，即A = ^―。因此，在热导率测定中的关键问题就是准
grad t
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IOmm厚度的铝板两侧建立起5°C的温差需要施以IlSkW ·πΓ2 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[0008]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勻的隔热材料覆盖。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。

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Pw(热流密度q = PW/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
UPρ TΨΘ--L2O + ^- = 0 加热段
XA XA(1) hpVM-^ZV = O 非加热段
XA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g倍数
XA
关系
AA(2) hpV2C-^Z2C=O非加热段
XA即没= 纩，同时立。其中Δθ χ和 *分别是θ和Θ*
ΑΛ.ΑΛ.max
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。
hp
= 0加热段
AA
令m =、/^，可以通过解析方法，根据边界条件求出方程( 的过余温度。由温 \ AA
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，f有关，即ΑΘ* = /(W,—)(3)
maxL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
\ AA
范围内，m的变化对Δ《κ的影响小于0.5%，可以忽略不计。对于图1中的薄板或细
宇+ Ο +斗好+J
杆结构，可用A^= ￡U J￡~^近似表达式(3)；而对于图2中圆盘型
2 - + - + 1 {PL L J
"+2" η Η+ ) + Η+ }η Η+ ) 结构，沾丄1 U,〈 ^ < U 八当时，对于图1中的结构，
2<2f+f+iJ f>5
δ(啫—竽S:=^；而对于图2圆盘型结构，， A=f^=^rln〔*+1)，其中5为试件的厚度。[0035]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
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)覆盖。
专利摘要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。
文档编号G01N25/20GK202275065SQ20112030448
公开日2012年6月13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