導(dǎo)熱系數(shù)測試儀

使用說明書

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地址：北京北洼路90號院   郵編：100142

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一、 概述

導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）是反映材料導(dǎo)熱性能的物理量，它不僅是評價材料的熱學(xué)特性的依據(jù)，而且是材料在應(yīng)用時的一個依據(jù)，在加熱器 、散熱器、傳熱管道、房屋等工程實踐中都要涉及這個參數(shù)。因為材料的熱導(dǎo)率不僅隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)變化都會明顯影響熱導(dǎo)率的數(shù)值，所以在科學(xué)實驗和工程中對材料的熱導(dǎo)率常用實驗的方法測定。

測量熱導(dǎo)率的方法大體上可分為穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法兩類。本測試儀采用穩(wěn)態(tài)法測量不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其思路清晰、簡捷、實驗方法具有典型性和性。測量物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)是熱學(xué)實驗中的一個重要內(nèi)容。

本測試儀由加熱器、數(shù)顯溫度表、數(shù)顯計時器等組成（采用一體化）

二、 主要指標(biāo)

1、 電源：AC（220±10%）V，（50/60）HZ

2、 數(shù)字溫度表：測量度：0.2%±1個字.

3、 數(shù)字計時秒表:計時范圍: 0～100min;zui小分辨率1S;度:10-5

4、 測量溫度范圍:室溫～500℃(zui高加熱溫度550℃)

5、 加熱電壓: 36VAC

6、 散熱銅板:半徑:65mm 厚度:7mm :815g(以上的參數(shù)已在每一塊銅板上標(biāo)注,以上提供的僅為參考值)

7、 測試材料:硬鋁、橡皮、空氣等

8、 連續(xù)工作時間：＞8小時

三、 儀器維護(hù)與保養(yǎng)

1、 使用前將加熱盤與散熱盤的表面擦干凈。樣品兩端面擦凈，可涂上少量導(dǎo)熱硅油。以接觸。

2、 實驗過程中，裝樣、卸樣請注意熱面溫度，以免燙傷手。

3、 實驗結(jié)束后，切斷電源，保管好測量樣品。不要使樣品兩端劃傷，以至影響實驗的度。數(shù)字溫度表數(shù)字出現(xiàn)不穩(wěn)定時先查熱電偶及個環(huán)節(jié)的接觸是否。

4、 儀器在搬運及放置時，應(yīng)避免強(qiáng)烈振動和受到撞擊。

5、 儀器長時間不使用時，請?zhí)咨纤芰洗钩睗窨諝馀c儀器接觸。房間內(nèi)空氣濕度應(yīng)小于80%。

6、 儀器使用時，應(yīng)避免周圍有強(qiáng)烈磁場源的地方。

7、 放置不用后再次使用時，請先加電預(yù)熱30min后使用。

四、 成套清單

1、導(dǎo)熱系數(shù)測試儀             1臺

2、電源線                             1根

3、測試樣品（硬鋁、橡皮、膠木）       1組

4、使用說明書                         1份

5、產(chǎn)品合格證                         1份

6、計算軟件                           1份

五、    售后服務(wù)

在用戶遵守保管和使用規(guī)則的條件下，從發(fā)貨之日起十二個月內(nèi)因產(chǎn)量不良而發(fā)生損壞或不能正常工作時，廠應(yīng)無償?shù)貫橛脩粜蘩砘驌Q零部件。

                          導(dǎo)熱系數(shù)的測量

導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）是反映材料熱性能的物理量，導(dǎo)熱是熱交換三種（導(dǎo)熱、對流和輻射）基本形式，是工程熱物理、材料科學(xué)、固體物理及能源、環(huán)保等個研究領(lǐng)域的課題，要認(rèn)識導(dǎo)熱的本質(zhì)和特征，需了解粒子物理而目前對導(dǎo)熱機(jī)理的理解大多數(shù)來自固體物理的實驗。材料的導(dǎo)熱機(jī)理在很大程度上取決于它的微觀結(jié)構(gòu)，熱量的傳遞依靠原子、分子圍繞平衡位置的振動以及自由電子的遷移，在金屬中電子流起支配作用，在緣體和大部分半導(dǎo)體中則以晶格振動起主導(dǎo)作用。因此 ，材料的導(dǎo)熱系數(shù)不僅與構(gòu)成材料的物質(zhì)種類密切相關(guān)，而且與它的微觀結(jié)構(gòu)、溫度、壓力及雜質(zhì)含量相聯(lián)系。在科學(xué)實驗作工程中所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)都需要用實驗的方法測定。（粗略的估計，可從熱學(xué)參數(shù)手冊或圖表中查尋）

1882年法國科學(xué)家J·傅里葉奠定了熱傳導(dǎo)理論，目前測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法都是建立在傅里葉熱傳導(dǎo)定律基礎(chǔ)之上，從測量方法來說，可分為兩大類：穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法，本實驗采用的是穩(wěn)態(tài)平板法測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

[實驗原理]

為了測定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，先從熱導(dǎo)率的定義和它的物理意義入手。熱傳導(dǎo)定律指出：如果熱量是沿著Z方向傳導(dǎo)，那么在Z軸上任一位置Z0處到一個垂直截面積dS（如圖1）以表示在Z處的溫度梯度，以表示在該處的傳熱速度（單位時間內(nèi)通過截面積dS的熱量），那么傳導(dǎo)定律可表示成：

dQ= - λ（）Z0dS·dt            （SI-1）

式中的負(fù)員表示熱量從高溫區(qū)傳導(dǎo)（即熱傳導(dǎo)的方向與溫度梯度的方向相反）。式中比例系數(shù)λ即為一個單位的情況下，單位時內(nèi)垂直通過單位面積截面的熱量。

利用（S1-1）式測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ，需解決的關(guān)鍵問題兩個：一個是在材料內(nèi)造成一個溫度梯度并確定其數(shù)值；另一個測量材料內(nèi)由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速率。

1、 關(guān)于溫度梯度

為了在樣品內(nèi)造成一個溫度的梯度分布，可以把樣品加工成平板狀，并把夾在兩塊良導(dǎo)體---銅板之間（圖2）使兩塊銅板分別保持在恒定溫度T1和T2，就可能在垂直于樣品表面的方向上形成溫度的梯度分布。樣品厚度可做成h<<D（樣品直徑）。這樣，由于樣品側(cè)面積比平板面積小得多，由側(cè)面散去的熱量可以忽略不計，可以認(rèn)為熱量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導(dǎo)，即只在此方向上有溫度梯度。由于銅是熱的良導(dǎo)體，在達(dá)到平衡時，可以認(rèn)為同一銅板處的溫度相同，樣品內(nèi)同一平行平面上處的溫度也相同。這樣只要測出樣品的厚度h和兩塊銅板的溫度T1、T2，就可以確定樣品內(nèi)的溫度梯度度當(dāng)然這需要銅板與樣品表面的緊密接觸，無縫隙，否則中間的空氣層將產(chǎn)生熱阻，使得溫度梯度測量不。

為了樣品中溫度場的分布具有的對稱性，把樣品及兩場銅板都加工成等大的圓形。

2、 關(guān)于傳熱速率

單位時間內(nèi)通過一截面積的熱量是一個無法直接測定的量，我們設(shè)法將這個量轉(zhuǎn)化為較為容易測量的量，為了維持一個恒定的溫度梯度分布，須不斷地給高溫側(cè)銅板加熱，熱量通過樣品傳到低溫側(cè)銅塊，低溫側(cè)銅板則要將熱量不斷地向周圍環(huán)境散出。當(dāng)加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時，系統(tǒng)就達(dá)到一個動態(tài)平衡狀態(tài)，稱之為穩(wěn)態(tài)。此時低溫側(cè)銅板的散熱速率就是樣品內(nèi)的傳熱速率。這樣，只要測量低溫側(cè)銅板在穩(wěn)態(tài)溫度T2下散熱的速率，也就間接測量出了樣品內(nèi)的傳熱速率。但是，銅板的散熱速率也不易測量，還需要進(jìn)一步作參量轉(zhuǎn)換，我們已經(jīng)知道，銅板的散熱速率與共冷卻速率（溫率變化率）有關(guān)，其表達(dá)式為

T2 = - mc|T2           （S1-2）

式中的n為銅板的，C為銅板的比熱容，負(fù)號表示熱量向低溫度方向傳遞。因為容易直接測量，C為常量，這樣對銅板的散熱速率的測量又轉(zhuǎn)化為對低溫側(cè)銅板冷卻速率的測量。測量銅板的冷卻速率可以這樣測量：在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，移去樣品，用加熱不鎊鋼板直接對下金屬銅板加熱，使其的溫率高于穩(wěn)定T2（大約高出10℃左右）再讓其在環(huán)境中自然冷卻，直到溫度低于T2，測出溫度在大于T2到小于T2區(qū)間中隨時間的變化關(guān)系，描繪出T---t曲線，曲線在T2處的斜率就是銅板在穩(wěn)態(tài)溫度時T2下的冷卻速率。

應(yīng)該注意的是，這樣得出的是在銅板部表面暴露于空氣中的冷卻速率，其散熱面積為2πRp2+2πRphp（其中Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度）然而在實驗中穩(wěn)態(tài)傳熱時，銅板的上表面（面積為πRp2）是樣品覆蓋的，由于物體的散熱速率與它們的面積成正比，所以穩(wěn)態(tài)時，銅板散熱速率的表達(dá)式應(yīng)修正為：

dQ         dt     πRp2+2πRphp

--- = -mc ---- ·--------------     （S1-3）

dt         dt     2πRp2+2πRphp

根據(jù)前面的分析，這個量就是樣品的傳熱速率。

將上式代入熱傳導(dǎo)定律表達(dá)式，并考慮到ds=πR2可以得到導(dǎo)熱系數(shù)：

   2hp+Rp       1        h       dT

λ= -mc---------·--------·------·-----|T = T2  (S1-4)

        2hp+2Rp     πR2      T1-T2     dt

式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的、C為銅塊的比熱容、Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度。右式中的項均為常量或直接易測量。

[實驗步驟]

1、 用自定量具測量樣品、下銅板的幾何尺寸和等要的物理量，多次測量、然后取平均值。其中銅板的比熱容C=0.385KJ/(K.Kg)

2、 先放置好待測樣品及下銅板（散熱盤），調(diào)節(jié)下圓盤托架上的三個微調(diào)螺絲，使待測樣品與上下銅板接觸。熱電偶插入銅盤上的小孔時，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，使熱電偶測溫端與銅盤接觸。

3、  溫度表控制升溫步驟：

（一）設(shè)置程序：按“←”鍵一下即放開，儀表就進(jìn)入設(shè)置程序狀態(tài)。儀表先顯示的是當(dāng)前運行段起始給定值，可按“←”、“↓”和“↑”鍵修改數(shù)據(jù)。按“）”鍵則顯示下一要設(shè)置的程序值，每段程序按“時間-給定值-時問-給定值”的順序依次排列。按“←”鍵并保持不放2秒以上，返回設(shè)置上一數(shù)據(jù)，先按“←”鍵再接著按“）”鍵可退出設(shè)置程序狀態(tài)。在程序運行時也可修改程序。在運行中，在恒溫段如果改變給定值，則要同時修改當(dāng)前段給定值和下一段給定值，如果要增加或縮短保溫時間，則可增加或減少當(dāng)前段的段時間。在升降溫段如果有改變升降溫斜率，可根據(jù)需要改變段時間，當(dāng)前段給定溫度和下一段的給定溫度。例如：C01=開始實測溫度，T01=（實驗溫度-開始實測溫度）/升溫速率，C02=實驗溫度，T02=恒溫時間（可設(shè)8000），C03=實驗溫度，T03=-121。

（二）運行：如果程序處于停止?fàn)顟B(tài)（下顯示器交替顯示“stop”），按“↓”鍵并保持2秒鐘，儀表下顯示器將顯示“run”的符號，則儀表開始運行程序。

（三）停止程序運行：如果程序處于運行狀態(tài)，按“↑”鍵并保持2秒鐘，儀表下顯示器將顯示“stop”的符號，此時儀表進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。 (參照溫度控制器使用說明書)。

（四）合上“加熱開關(guān)”，對上不銹鋼板進(jìn)行加熱。

4、 上不銹鋼板加熱到設(shè)定溫度時，（1）觀察上不銹鋼板的溫度。當(dāng)上不銹鋼板的溫度保持不變時（可通過加熱板溫度顯示來觀測），記錄下此時上不銹鋼板的溫度（T1），在不斷地給高溫側(cè)不銹鋼板（上不銹鋼板）加熱，熱量通過樣品不斷地傳到低溫側(cè)銅塊（下銅塊），經(jīng)過的時間后，當(dāng)下銅板的溫度基本不變時，記錄下此時下銅板的散熱板溫度值（T2）。此時則可認(rèn)為已達(dá)到了穩(wěn)態(tài)。（大約在五分鐘內(nèi)下銅板的溫度保持不變）

5、移去樣品，繼續(xù)對下銅板加熱，當(dāng)下銅盤溫度比T2高出10℃左右時（高溫時要多些），移試樣架，讓下銅盤表面均暴露于空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30秒讀下銅盤的溫度示值并記錄，直至溫度下降到T2以下值。作銅板的T-t冷卻速率曲線。（選取鄰近的T2測量數(shù)據(jù)來求出冷卻速率）。

6、 根據(jù)（S1-4）計算樣品的導(dǎo)熱系數(shù)λ，或數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)計算。

7、 設(shè)置上不銹鋼板不同的加熱溫度，在設(shè)定加熱溫度時，須高出室溫30℃。設(shè)定不同的加熱溫度，測量出不同溫度下樣品的導(dǎo)熱系數(shù)λ。

[實驗注意事項] 

1、 穩(wěn)態(tài)法測量時，要使溫度穩(wěn)定約要40分鐘左右，同時每隔30秒記下樣品上、下圓盤A和P的溫度T1和T2的數(shù)值，待T2的數(shù)值在2分鐘內(nèi)不變即可認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記下此時的T1和T2值。

2、 測金屬（或陶瓷）的導(dǎo)熱系數(shù)時，T1、T2值為穩(wěn)態(tài)時金屬樣品上下兩個面的溫度，此時散熱盤P的溫度為T3。因此測量P盤的冷卻速率應(yīng)為：

△T                    △T            h       1

------- |T=T3  ∴λ= mc ----- |T=T3·-------·-----

△t                    △t          T1-T2    πR2

測T3值時要在T1、 T2達(dá)到穩(wěn)定時，將上面測T1和T2的熱電偶移下來進(jìn)行測量。

3、 圓筒發(fā)熱體盤側(cè)面和散熱盤P側(cè)面，都有供安插熱電偶的小孔，熱電偶插入小孔時，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，接觸，。

4、 樣品圓盤B和散熱盤P的幾何尺寸，可用游標(biāo)尺多次測量取平均值。散熱盤的m約0.8Kg，可用藥物天平稱量。

附錄一：部分材料的密度和導(dǎo)熱數(shù)

附錄二：導(dǎo)熱系數(shù)單位換算

導(dǎo)熱系數(shù)測試儀制樣附加說明

材料的范疇很廣，有金屬和非金屬、均質(zhì)的和非均質(zhì)的、單體的和復(fù)合材料、液態(tài)、固態(tài)、粉料等，導(dǎo)熱系數(shù)范圍寬。通過制取不同形狀的試樣，利用導(dǎo)熱系數(shù)測試平臺，可檢測大部分材料。

高導(dǎo)熱材料的檢測方法：平板穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測試儀測量材料導(dǎo)熱系數(shù)時，主要是測量冷熱面溫差和熱流兩個參數(shù)量，儀器測量這兩參數(shù)量時，都有測量量程和度的限制。通過制樣可使材料的冷熱面溫差和熱流都落在儀器的量程和度范圍內(nèi)。在測量高導(dǎo)熱材料時，要減小熱流傳遞和提高冷熱面溫差。減小熱流可通過減小試樣的傳熱面積來獲得，提高冷熱面溫差可通過增加試樣厚度來獲得。試樣與冷熱板的接觸熱阻相對高導(dǎo)熱試樣熱阻是大的，測量時須消除接觸熱阻。方法是在試樣測量面兩端打2個溫度測量孔，把測量冷熱板溫度的熱電偶插在試樣的溫度測量孔內(nèi)，這樣，測量的冷熱溫差值就不包含接觸熱阻形成的溫差了，試樣厚度數(shù)據(jù)要以試樣2個溫度測量孔的間距來計算。如果熱面溫度比環(huán)境溫度高很多，就要考慮試樣表面散熱，可在試樣表面包上保溫層。測量鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)制樣如下圖所示：

粉狀或膠狀材料的檢測方法：測量膠狀物時，要做一個圍框，裝樣時，裝滿并稍高于圍框邊。

粉狀料的緊實度與導(dǎo)熱系數(shù)有很大的關(guān)系，要考慮測量什么狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，測量自然狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，要做一個圍框，裝樣時，裝滿并稍高于圍框邊。

有些粉狀料通過壓機(jī)制樣，可測量不同緊實度下導(dǎo)熱系數(shù)。

粉狀料還可調(diào)粘結(jié)劑進(jìn)行測量。

薄試樣的檢測方法：薄的試樣可采用疊層的辦法進(jìn)行測量。

以上是試樣的取樣方法，一般取樣是散熱板面積和厚度，導(dǎo)熱系數(shù)高的取厚一點，導(dǎo)熱系數(shù)低的取薄點。

總的規(guī)律是：導(dǎo)熱系數(shù)低的試樣取薄、面積大、冷熱溫差大，導(dǎo)熱系數(shù)高的試樣取厚、面積小、冷熱溫差小