导热系数测定

一、实验目的

导热系数是表征物质热传导性质的物理量。测量导热系数的方法一般分为两类:一类是稳态法;一类是动态法。在稳态法中，先利用热源在待测样品内部形成一个稳定的温度分布，然后进行测量。在动态法中，待测样品温度分布是随时间变化的。本实验应用稳态法测量不良导体的导热系数。

二、基本原理

DRL-Ⅲ型真空热流法导热系数测定仪以稳定导热原理为基础，在稳定状态下，单向热流垂直流过试样，通过测量试样上、下两导热杆6个点的温度，以及有效传热面积和厚度，即可计算试样的导热系数。

1.热流值计算

Q12=λ1×A×(T1-T2)/d;Q34=λ2×A×(T3-T4)/d;Q=(Q12+Q34)/2 (1-1)

式中，Q12为热极热流值，W;Q34为冷极热流值，W;Q为平均热流值，W;A为通过热流面积，m2;λ1、λ2为热极、冷极压杆导热系数，W/(m·K);T1-T2为热极温差，K;T3-T4为冷极温差，K;d为样品厚度，m。

2.与样品接触热极表面温度计算

TH=T2-d B(T1-T2)/d A(1-2)

式中，d A为热电偶1与热电偶2间的距离，m;d B为热电偶1与上热端面间的距离，m。

3.与样品接触冷极表面温度计算

TC=T3-d D(T3-T4)/d C(1-3)

式中，d C为热电偶3与热电偶4间的距离，m;d D为热电偶3与下热端面间的距离，m。

4.总热阻计算

θ=A(TH-TC)/Q，(km2/W)(1-4)

5.导热系数计算

λ=d/(θ-θ0)，W/(m·K)(1-5)

式中，θ0为热极与冷极之间的表面接触热阻，其值与样品、压力计面积有关，它通过软件设置并自动校正。

三、仪器装置

根据稳态导热原理建立的导热系数实验装置是由上压杆与下压杆、加热器、温度测量系统、抽真空装置、水冷却装置、加压装置、测厚传感器和控制电脑8部分组成。

1.上压杆与下压杆

由导热良好的纯铜棒组成，上压杆上端连接加热器，下端压紧试样;下压杆上端顶住试样，下端连接水冷却装置;在上压杆与下压杆上分别固定有温度探头，用于测量热流量。

2.加热器

加热器直接固定在上压杆上端，通过高温电阻丝将上压杆加热到设定温度，并保持温度恒定。

3.温度测量系统

温度测量由7块温度表和7支热电偶组成。其中6个检测上压杆与下压杆的温度，一个检测控制加热器温度。

4.抽真空装置

负责对容器抽真空，使实验在真空环境下进行，确保精度。

5.水冷却装置

使下压杆的下端温度保持稳定。

6.加压装置

负责给试样施加不同的预压力。

7.测厚传感器

检测试样在施加不同的预压力情况下厚度的变化。

8.控制电脑

负责实验数据的检测、实验控制和实验数据的计算与保存。

四、特点

测量和分析软件是基于Windows XP系统运行的，包含测量功能和数据显示，软件具有很友善的中文操作界面，简易的菜单操作、升温程序的设置和电炉温度的控制等全部都能在电脑上进行，温度控制精度高。配有自动加压、自动测量厚度装置，可检测不同压力下的热阻和导热系数。

五、使用方法

1.对试件的要求

试件底面与圆柱体轴的垂直度不大于0.02mm，两个端面的不平度小于0.02mm。

2.试件的预处理

测量干燥条件下导热系数时，试件应根据材料本身的技术规定在不同温度条件下进行干燥处理至恒重。

3.测量步骤

(1)首先在试件两面涂上导热脂，打开真空罩，再将试件放置在上压杆、下压杆之间进行合轴装配。

(2)打开电源开关和加热开关，将纽子开关打向“加载”，当压力表显示压力时，将纽子开关打向“停止”，然后盖上真空罩。

(3)关闭仪器侧面的进气阀门(手柄为垂直方向)，开启抽真空阀门(手柄为水平方向)，启动真空泵抽真空，接通冷却水。

(4)打开电脑程序，进入电脑操作，其方法如下所示。

①软件安装完后，在安装目录内，将图标变为桌面快捷方式。

②打开桌面快捷方式软件图标，显示“注册申请码”，输入注册码后，点击“注册”即可(如不注册，点击“继续”也可)。

③打开软件后，点击“基本参数”，设置有关参数。先点击“修改设置”，通信端口为“COM1”，温度表小数点位数根据实际设置为“2”，升温速度设置为“1”。根据测试精度要求，设置稳定时间为30～60s，温度偏差为0.2～0.5℃，最后点击“确定”。

④基本参数设置好后，打开软件。点击“导热系数测试”，进入测试界面，如系统没有标定，先放入3～5mm厚标样进行标定。标定方法为:在压力设置栏，可选择“手动加载”，然后点击“确定”即可。直接拨动纽子开关进行“加载”“卸载”，电脑显示实际压力大小。在厚度面积输入栏，可选择“手动输入厚度”和“自动测量厚度”。先点击“修改”，输入厚度后，点击“确定”。系统标定方法为:点击“设备标定”，输入标样导热系数参考值，将设备标定值改为“1”后，点击“应用”，显示提示后点击“确定”即可。在温度栏，设置好温度，电脑显示“热极温度已设置好”后，打开“加热开关”，点击“加热启动”，开始自动升温，当达到设置温度且稳定一定时间后，点击“开始实验”，电脑自动测试3次，如3次偏差在设置的范围内，则显示结果值，这时再点击“设备标定”，输入实测的没校正的导热系数值，点击“计算”，点击“应用”，显示提示后点击“关闭”即可，标定完成后，要再测试一次，当温度稳定后，点击“开始实验”，测试完检查结果值是否和标定值相符。最后点击“数据保存”，输入名称、编号，点击“确定”，点击“生成报表”，即可保存数据。注意，每次标定前，要将标定系数改为“1”。系统标定好后，可进行样品测试，方法和标定类似，只是不要进入设备标定。

⑤精度调节方法为:在测试界面，点击“基本参数设置”，进入基本参数设置界面，可调整温度梯度偏差、炉温温度偏差，偏差越小，实验时间越长，但精度也相应提高。调整结果误差范围的百分比和温度稳定时间，效果也一样。

六、注意事项

1.熟悉仪器各附件设备的使用说明。

2.当外电源波动较大时，应进行二次稳压。

3.定期用标样进行标定，保证测试精度。

七、思考题

应用稳态法是否可以测量良导体的导热系数?如可以，对实验样品有什么要求? 实验方法与测不良导体有什么区别?