用闪光法测定不良导体的热导率

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1、用闪光法测定不良导体的热导率测固体材料热导率的方法大体有两类：一类是稳态法，另一类是非稳态法。由于式样的性质、形状、测试温度范围、加热方式以及测定传递热量的方法各不相同又有许多不同的具体方法，非稳态法用的是非稳态导热微分方程，测量的量是温度随时间的变化关系，得到的是热扩散率，利用材料的已知密度和比热容，可以求得导热率。【目的要求】1.测定不良导体热导率；2.了解一种测定材料热物性参数的方法；3.了解热物性参数测量中的基本问题；4.学习正确使用高压脉冲光源和光路调节技术以及用微机控制实验和采集处理数据。【仪器用具】闪光法热导仪（包括高压脉冲灯和光源，光学调节系统，待测样品（酚

2、醛胶布板、大理石、瓷砖各一片—），P-N结温度传感器，放大电路，AD/DA卡，微机，软件等）。【原理】热传导是指发生在固体内部或精静止流体内部的热量交换过程。其微观机制是，由自由电子或晶格振动作为载体进行热量交换的过程。宏观上是由于物体内部存在温度梯度，发生从高温区向低温区域传输能量的过程。1822年傅里叶首次在他的著作《热的理论分析》中阐述了导热热流和温度梯度的正比关系。傅里叶导热定律，用热流密度的矢量形式表示为q=-λgradT，其中q为热流密度矢量，表示在单位等温面上沿温度降低方向单位时间内传递的热量；λ是热导率，显然是反映物质导热能力的重要参数，其物理含义是：每单位

3、时间内，在每单位长度上温度降低1K时，每单位面积上通过的热量。在1994年实施的国家标准《量和单位》一书中定义热导率为面积热流除以温度梯度，单位为W/（m·K）。近年来，由于测量技术的进步，非稳态法因其测量时间短而得到大力发展。采用非稳态法测不良导体热导率在科研和生产中已有应用。本实验采用闪光法，它是测定热扩散率最常用的一种方法。采用圆形薄试样，其一面有一个脉冲型的热流加热，根据另一方面温度随时间的变化关系，可确定热扩散率a，进而由公式λ=apc，可以得到热导率λ，其中p和c分别为材料的比热容和密度。原理示意图1。假设有一束能量为Q的脉冲在t=0时刻照射在试样表面（试样为薄

4、片状，脉冲光沿垂直于圆面的轴线方向辐照），且被试样均匀吸收，可以认为在距表面的微小距离l内样品温升为T(x,0)=Q/ρcl（0

5、2）的解⎡∞22⎤Qnπxsin(nπl/L)⎛nπ⎞T(x,t)=⎢1+2∑cos⋅exp⎜⎜−2at⎟⎟⎥.(3)ρcL⎣n=1L(nπl/L)⎝L⎠⎦在试样背面x=L处温升可表示为⎡∞22⎤Q⎛nπ⎞T(L,t)=⎢1+2∑(−)1exp⎜⎜−2at⎟⎟⎥，（4）ρcL⎣n=1⎝L⎠⎦当t=∞时，T（L，t）达到最大，有QT=mρclT(L,t)22为了测量、计算方便起见，可对上式归一化，即定义V(L,t)=,ω=πat/L，则Tm∞n2V=1+2∑(−)1⋅exp(−nω).（5）n=1将（5）式作图表示，见图2。令V=1/2，求得ω=1.38。将对应的时间记为t1

6、/2，可得扩散率22a=1.38L/πt1/2，（6）进而有热导率22λ=1.38ρL/πt1/2。（7）上述处理过程要满足的条件是：试样面积〉〉厚度，则侧面散热可忽略，可视为一维热流；试样温升小，则向环境的散热可忽略不计；试样材料均匀，各向同性；试样一面受光辐照，在极薄层内吸收并转化为热量；光辐照时间远远小于热量在试样内传播的时间，等等。闪光法也可用来测量试样的比热容。具体方法是用一个已知比热容的试样作为参考样品，使它和待测样品的表面都涂有吸收率相同的极薄涂层（一般用胶体石墨），分别进行两次同样的闪光加热，测出两次实验的最大温升及表征激光能量大小的信号，可得待测样品比热容

7、MΔTQtr,mxc=c,（8）xrMΔTQxr,mr式中cx,cr分别为待测和已知（参考）比热容，M为质量，ΔTx,m,ΔTr,m分别为待测和已知是最大温升值，Qx,Qr是表征闪光能量大小的信号。本系统用于测定不良导体的热导率，还可以同时测定不良导体的热扩散率和比热容。此方法特点是：试样尺寸可以做得很小（如直径为1cm）；测量周期短（约十至几十秒）；待测温度为相对测量的量，故测温仪器不需做绝对定标；测温元件灵敏度高，响应时间短；处理数据方法简便，使用危机采集和处理数据快捷。【仪器描述】本实验装置分为三部分，装置框