非金属固体材料导热系数的测量

《非金属固体材料导热系数的测量》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、山东大学学生物理实验报告实验项目：不良导体导热系数测量方法及仪器完成人：韩益洪学号：201300181051学院：电气工程学院前言本文介绍了导热系数测量的基本理论与定义，热线法、激光法、动态测量法等几类测量方法的原理与应用，以及德国耐驰公司（NETZSCH）的相关仪器。在某些应用场合，了解材料的导热系数，是测量其热物理性质的关键。例如，耐火材料常被用作炉子的衬套，因为它们既能耐高温，又具有良好的绝热特性，可以减少生产中的能量损耗。航天飞机常使用陶瓷瓦作挡热板。陶瓷瓦能承受航天飞机回到地球大气层时产生的高温，有效防止航天器内部关键部件的损坏。在现

2、代化的燃气涡轮电站，涡轮的叶片上的陶瓷涂层（如稳定氧化锆）能保护金属基材不受腐蚀，降低基材上的热应力。有效的散热器能保护集成电路板与其它电子设备不受高温损坏，散热材料已经成为微电子工业领域关键材料。在过去的几十年里，已经发展了大量的导热测试方法与系统。然而，没有任何一种方法能够适合于所有的应用领域，反之对于特定的应用场合，并非所有方法都能适用。要得到准确的测量值，必须基于材料的导热系数范围与样品特征，选择正确的测试方法。1.热线法测量不良导体导热系数用热线法测量不良导体导热系数是一种广泛使用的方法，国家对此制定了标准——“非金属固体材料导热系数

3、的测定——热线法”（GB/T 10297-1998）。基本原理如图1所示，在匀质均温的物体内部放置一电阻丝，即热线，对其以恒定功率加热时，热线及其附近试样的温度将随时间变化。根据时间与温度的变化关系，可以确定该试样的导热系数。[1] [原理简述]由热传导理论[2]可知，恒定功率的热线对匀质物体进行热传导时，可以用一维柱坐标系的热传导方程对物体的温度场进行描述：     （1） 边界条件为： 根据热传导方程和边界条件得到：其中各物理量含义为，t：热线的加热时间，单位为s；r：距热线的距离，单位为m；q：热线单位长度的加热功率，单位为W/m；：加热

4、时间t，距离热线距离r处的温升，单位为K；α：试样的热扩散率，单位为m2/s；λ：试样的导热系数，单位为W/（m·K），对于非金属固体材料，该系数一般小于2 W/（m·K）。假设，即r→0或αt→∞，利用Euler公式，忽略展开后二次项以后的各项。如果在不同时间t1、t2，测的同一点r处的温升为，则：（4）根据上式可以得到试样的导热系数（5）式中，I、U分别热线的通电电流（单位为A）和电压（单位为V），L为有效加热长度（单位为m）。因此，当等时间间隔测量试样的温升时，ln(t2/t1)和呈线性关系，据此计算试样的导热系数。[实验设计]实验装置如

5、图2所示。试样为环氧树脂，有效长度220mm，直径28mm。加热丝为钨杆，直径1mm，RWu=0.01650Ω，加热电流3~5A。温度测量利用电阻——温度系数（αR=0.00393℃-1）线性比较好的铜丝进行，关系式为： RCu=R0(1+αR t)             （6）R0为0℃时的电阻值。铜丝直径0.21mm，为保证基本不产生热效应，宜选择小工作电流（<2mA），当试样温度变化时，铜丝电压也随之变化。增加铜丝绕制匝数或减小直径，可以获得较大变化的电压值。[实验步骤]1． 由于热丝加热和铜丝电阻测量均采用恒流供电，因此要确定工作电流

6、大小。特别注意：调节电流时，恒流源不能开路调节（否则Pout®¥，电源会烧毁）。2． 将加热丝和采样小电阻串入大电流恒流源，120mV电压表检测大恒流源输出和加热丝工作状态（实验要求加热功率变化小于±1%）。将测温铜电阻和采样大电阻串入小电流电路，120mV电压表检测小恒流源输出和铜丝电阻变化。 3． 确定各连线没有问题后，先接通测温电路，再接通加热电路，稳定10分钟左右后开始记录数据，时间间隔自定，电流稳定性观测间隔约5~10分钟，铜丝电阻测量一般取2~5分钟记录一点，工作过程1~1.5小时。尽可能保持环境稳定。 [数据处理] 1．数据记录初

7、始温度t=___℃；单位时间间隔的加热电流、电压，铜丝电流、电压；结束温度t=___℃ 2．实验报告要求：1) 记录实验仪器规格。2) 根据初始时环境温度，铜丝的电阻——温度系数、电流和电压值确定的铜丝的R0。 3) 写出求解环氧树脂导热系数的过程（包括公式推导、数据代入过程等），可以用坐标纸或计算机处理数据。4) 分析加热功率是否满足波动小于±1%。5) 分析改变实验条件，如加热电流、测温电流等，对实验数据的影响。 6) 总结实验的特点及可能产生误差的原因，解决设想。7) 你是否愿意将此实验该为计算机采集？请与老师联系E-mail: gpl@

8、mail.tsinghua.edu.cn参考文献1． 国家质量技术监督局，“非金属固体材料导热系数的测定——热线法”（GB/T 10297—1998）