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導熱系數(shù)的測量方法
點擊次數(shù):7952 更新時間:2022-06-15

導熱系數(shù)

測量方法
 
導熱系數(shù)測試方法,分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法(又稱為非穩(wěn)態(tài)法)兩類;
穩(wěn)態(tài)法有:平板法、護板法、熱流計法、熱箱法等
瞬態(tài)法有:、探針法、熱盤法、熱帶法、激光法等
 
各種測試方法,有其自身的適用范圍。由于物質具有固、液、氣三種狀態(tài),不同狀態(tài)時,其導熱系數(shù)會差異很大;而不同狀態(tài)時導熱系數(shù)的測量也會有很大的不同;相比于固體、液體和氣體的測量更加困難,因為流體狀態(tài)物質內更容易發(fā)生自然對流,溫度場會很快發(fā)生變化,需要采集的速度相當快(如1秒),以避開自然對流的影響,所以對于儀器的要求會更高。
 
 
穩(wěn)態(tài)法
 
穩(wěn)態(tài)法是指當待測試樣上溫度分布達到穩(wěn)定后,即試樣內溫度分布是不隨時間變化的穩(wěn)定的溫度場時,通過測定流過試樣的熱量和溫度梯度等參數(shù)來計算材料的導熱系數(shù)的方法。它是利用穩(wěn)定傳熱過程中,傳熱速率等于散熱速率的平衡條件來測量導熱系數(shù)。
 
穩(wěn)態(tài)法具有原理清晰、模型簡單、可準確直接地獲得熱導率值等優(yōu)點,并適于較寬溫區(qū)的測量;缺點是實驗條件苛刻、測量時間較長;穩(wěn)態(tài)法中,為了獲得準確的熱流,需要嚴格保證測試系統(tǒng)的絕熱條件,附設補償加熱器并增加保溫措施,以減小漏熱損失;為了獲得準確的溫度,需要布置多根熱電偶;為了保證一維導熱,通常對樣品的尺寸要求較大,而且為了保證整個受熱面溫度場的均勻一致,對樣品表面的平整度要求較高。
 
穩(wěn)態(tài)法主要用于測量固體材料的導熱系數(shù),而要把它用于研究濕材料會遇到很大困難,因為試樣會由于長時間保證一定的溫度場而引起含濕量的變化,這將導致測量結果不正確。

 

瞬態(tài)法 

 
隨著新材料的發(fā)展,對測試速度的要求大大提高,而且因為新材料的多樣性(多層,多孔),傳統(tǒng)的方法獲得的參數(shù)并不能準確反映材料的性質,傳統(tǒng)的模型也不能準確反映所要研究的過程,因此瞬態(tài)法開始廣受關注。
 
瞬態(tài)法是指實驗測量過程中試樣溫度隨時間變化,通過測量試樣內某些點溫度變化的情況以及其他一些需要的參數(shù),從而確定試樣導熱系數(shù)的方法,其分析的出發(fā)點是非穩(wěn)態(tài)導熱微分方程。
 
瞬態(tài)法可分為周期熱流法和瞬態(tài)熱流法,而瞬態(tài)熱流法中的瞬態(tài)法、熱盤法、熱帶法、探針法和準穩(wěn)態(tài)法屬于直接測量,閃光法、運動熱源法和比較法等方法屬于間接測量,其直接獲得的是試樣的熱擴散率,通過已知的比熱,密度間接求解導熱系數(shù)的方法,由于這類方法需要用到材料的比熱和密度值,因而導熱系數(shù)的測量準確度受到這兩個物理量準確度的限制。瞬態(tài)法是目前應用范圍廣的測量方法,可以測量氣體、液體、固體等物質,測量準確度高。探針法實質上是一種更為實用的線熱源法,主要用于測量食品、生物組織、土壤和其他松散材料的導熱系數(shù)。由于測試速度快,試件制作要求低,使用儀器簡單,特別適合現(xiàn)場測量。
 
瞬態(tài)法的優(yōu)勢在于速度快、可以獲得跟傳統(tǒng)法相當或者更好的測試精度,而且對試樣的要求低(通常需要很少量的樣品);但從理論上看,瞬態(tài)法的導熱微分方程比較復雜,邊界條件難以準確確定,而且獲得準確的溫度隨時間的變化關系也比較困難。但是近幾十年來,隨著測量技術的進步,瞬態(tài)法由于測量時間短、性高和對環(huán)境要求低等優(yōu)點而得到了大力的發(fā)展。
 
2005 年,由英國國家物理實驗室(National Physical Laboratory)發(fā)起,聯(lián)合歐洲多個國家物性研究實驗室,聯(lián)合制定了關于瞬態(tài)法測量導熱系數(shù)的標準-Standard forContact Transient Methods of Measurement of Thermophysical Properties。
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