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     導熱系數測試儀

使用說明書

    北 京 恒 奧 德 科 技 有 限 公 司

地址：北京北洼路90號院   郵編：100142

電話：010-51666919     傳真： 68465110

                www.nymmedia.com   

一、 概述

導熱系數（熱導率）是反映材料導熱性能的物理量，它不僅是評價材料的熱學特性的依據，而且是材料在應用時的一個設計依據，在加熱器 、散熱器、傳熱管道設計、房屋設計等工程實踐中都要涉及這個參數。因為材料的熱導率不僅隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質含量、結構變化都會明顯影響熱導率的數值，所以在科學實驗和工程技術中對材料的熱導率常用實驗的方法測定。

測量熱導率的方法大體上可分為穩態法和動態法兩類。本測試儀采用穩態法測量不同材料的導熱系數，其設計思路清晰、簡捷、實驗方法具有典型性和實用性。測量物質的導熱系數是熱學實驗中的一個重要內容。

本測試儀由加熱器、數顯溫度表、數顯計時器等組成（采用一體化設計）

二、 主要技術指標

1、 電源：AC（220±10%）V，（50/60）HZ

2、 數字溫度表：測量精度：0.2%±1個字.

3、 數字計時秒表:計時范圍: 0～100min;最小分辨率1S;精度:10-5

4、 測量溫度范圍:室溫～500℃(最高加熱溫度550℃)

5、 加熱電壓: 36VAC

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

7、 測試材料:硬鋁、橡皮、空氣等

8、 連續工作時間：＞8小時

三、 儀器維護與保養

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，可涂上少量導熱硅油。以保證接觸良好。

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，以至影響實驗的精度。數字溫度表數字出現不穩定時先查熱電偶及各個環節的接觸是否良好。

4、 儀器在搬運及放置時，應避免強烈振動和受到撞擊。

5、 儀器長時間不使用時，請套上塑料袋，防止潮濕空氣長期與儀器接觸。房間內空氣濕度應小于80%。

6、 儀器使用時，應避免周圍有強烈磁場源的地方。

7、 長期放置不用后再次使用時，請先加電預熱30min后使用。

四、 成套清單

1、導熱系數測試儀             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、產品合格證                         1份

6、計算軟件                           1份

五、    售后服務

在用戶遵守保管和使用規則的條件下，從發貨之日起十二個月內因產品質量不良而發生損壞或不能正常工作時，制造廠應無償地為用戶修理或更換零部件。

                          導熱系數的測量

導熱系數（熱導率）是反映材料熱性能的物理量，導熱是熱交換三種（導熱、對流和輻射）基本形式之一，是工程熱物理、材料科學、固體物理及能源、環保等各個研究領域的課題之一，要認識導熱的本質和特征，需了解粒子物理而目前對導熱機理的理解大多數來自固體物理的實驗。材料的導熱機理在很大程度上取決于它的微觀結構，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，在絕緣體和大部分半導體中則以晶格振動起主導作用。因此 ，材料的導熱系數不僅與構成材料的物質種類密切相關，而且與它的微觀結構、溫度、壓力及雜質含量相聯系。在科學實驗作工程設計中所用材料的導熱系數都需要用實驗的方法測定。（粗略的估計，可從熱學參數手冊或圖表中查尋）

1882年法國科學家J·傅里葉奠定了熱傳導理論，目前各種測量導熱系數的方法都是建立在傅里葉熱傳導定律基礎之上，從測量方法來說，可分為兩大類：穩態法和動態法，本實驗采用的是穩態平板法測量材料的導熱系數。

[實驗原理]

為了測定材料的導熱系數，首先從熱導率的定義和它的物理意義入手。熱傳導定律指出：如果熱量是沿著Z方向傳導，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（單位時間內通過截面積dS的熱量），那么傳導定律可表示成：

dQ= - λ（）Z0dS·dt            （SI-1）

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

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

1、 關于溫度梯度

為了在樣品內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，由于樣品側面積比平板面積小得多，由側面散去的熱量可以忽略不計，可以認為熱量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導，即只在此方向上有溫度梯度。由于銅是熱的良導體，在達到平衡時，可以認為同一銅板各處的溫度相同，樣品內同一平行平面上各處的溫度也相同。這樣只要測出樣品的厚度h和兩塊銅板的溫度T1、T2，就可以確定樣品內的溫度梯度度當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生熱阻，使得溫度梯度測量不準確。

為了保證樣品中溫度場的分布具有良好的對稱性，把樣品及兩場銅板都加工成等大的圓形。

2、 關于傳熱速率

單位時間內通過一截面積的熱量是一個無法直接測定的量，我們設法將這個量轉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，必須不斷地給高溫側銅板加熱，熱量通過樣品傳到低溫側銅塊，低溫側銅板則要將熱量不斷地向周圍環境散出。當加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時，系統就達到一個動態平衡狀態，稱之為穩態。此時低溫側銅板的散熱速率就是樣品內的傳熱速率。這樣，只要測量低溫側銅板在穩態溫度T2下散熱的速率，也就間接測量出了樣品內的傳熱速率。但是，銅板的散熱速率也不易測量，還需要進一步作參量轉換，我們已經知道，銅板的散熱速率與共冷卻速率（溫率變化率）有關，其表達式為

T2 = - mc|T2           （S1-2）

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

應該注意的是，這樣得出的是在銅板全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）然而在實驗中穩態傳熱時，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，所以穩態時，銅板散熱速率的表達式應修正為：

dQ         dt     πRp2+2πRphp

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

dt         dt     2πRp2+2πRphp

根據前面的分析，這個量就是樣品的傳熱速率。

將上式代入熱傳導定律表達式，并考慮到ds=πR2可以得到導熱系數：

   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為下銅板的質量、C為銅塊的比熱容、Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度。右式中的各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質量等必要的物理量，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），調節下圓盤托架上的三個微調螺絲，使待測樣品與上下銅板接觸良好。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良好。

3、  溫度表控制升溫步驟：

（一）設置程序：按“←”鍵一下即放開，儀表就進入設置程序狀態。儀表首先顯示的是當前運行段起始給定值，可按“←”、“↓”和“↑”鍵修改數據。按“）”鍵則顯示下一要設置的程序值，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，返回設置上一數據，先按“←”鍵再接著按“）”鍵可退出設置程序狀態。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，則可增加或減少當前段的段時間。在升降溫段如果有改變升降溫斜率，可根據需要改變段時間，當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8000），C03=實驗溫度，T03=-121。

（二）運行：如果程序處于停止狀態（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，按“↑”鍵并保持2秒鐘，儀表下顯示器將顯示“stop”的符號，此時儀表進入停止狀態。 (參照智能溫度控制器使用說明書)。

（四）合上“加熱開關”，對上不銹鋼板進行加熱。

4、 上不銹鋼板加熱到設定溫度時，（1）觀察上不銹鋼板的溫度。當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銅塊（下銅塊），經過一定的時間后，當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）。此時則可認為已達到了穩態。（大約在五分鐘內下銅板的溫度保持不變）

5、移去樣品，繼續對下銅板加熱，當下銅盤溫度比T2高出10℃左右時（高溫時要多些），移試樣架，讓下銅盤所有表面均暴露于空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30秒讀一次下銅盤的溫度示值并記錄，直至溫度下降到T2以下一定值。作銅板的T-t冷卻速率曲線。（選取鄰近的T2測量數據來求出冷卻速率）。

6、 根據（S1-4）計算樣品的導熱系數λ，或數據輸入計算機計算。

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

[實驗注意事項] 

1、 穩態法測量時，要使溫度穩定約要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的數值，待T2的數值在2分鐘內不變即可認為已達到穩定狀態，記下此時的T1和T2值。

2、 測金屬（或陶瓷）的導熱系數時，T1、T2值為穩態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達到穩定時，將上面測T1和T2的熱電偶移下來進行測量。

3、 圓筒發熱體盤側面和散熱盤P側面，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，保證接觸良好，。

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

附錄一：部分材料的密度和導熱數

附錄二：導熱系數單位換算

導熱系數測試儀制樣附加說明

材料的范疇很廣，有金屬和非金屬、均質的和非均質的、單體的和復合材料、液態、固態、粉料等，導熱系數范圍非常寬。通過制取不同形狀的試樣，利用導熱系數測試平臺，可檢測大部分材料。

高導熱材料的檢測方法：平板穩態法導熱系數測試儀測量材料導熱系數時，主要是測量冷熱面溫差和熱流兩個參數量，儀器測量這兩參數量時，都有測量量程和精度的限制。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精度范圍內。在測量高導熱材料時，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熱試樣熱阻是非常大的，測量時必須消除接觸熱阻。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，這樣，測量的冷熱溫差值就不包含接觸熱阻形成的溫差了，試樣厚度數據要以試樣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。測量鋁合金導熱系數制樣如下圖所示：

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熱系數有很大的關系，要考慮測量什么狀態下的導熱系數，測量自然狀態下的導熱系數，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制樣，可測量不同緊實度下導熱系數。

粉狀料還可調粘結劑進行測量。

薄試樣的檢測方法：非常薄的試樣可采用疊層的辦法進行測量。

以上是特殊試樣的取樣方法，一般取樣是散熱板面積和一定厚度，導熱系數高的取厚一點，導熱系數低的取薄點。

總的規律是：導熱系數低的試樣取薄、面積大、冷熱溫差大，導熱系數高的試樣取厚、面積小、冷熱溫差小。