[发明专利]热线法瞬态测量材料热物性的方法

说明书

本发明公开一种热线法瞬态测量材料热物性的电压测量方法，给出了测量的一般原理和材料热物性的计算公式，同时可以降低测量温度时的探头制作难度，由于电压测量的精确度远高于温度测量的精确度，因而也可以期望用此法提高材料热物性测量的精确度。

技术领域

本发明属于热学和传热学，涉及材料热物理性质的测量、研究、分析和应用等领域，可以广泛运用于绝热、保温、导热，散热和蓄热等工程技术和新材料开发和研究。

背景技术

热线法测量材料的热导率，是一种基本的材料热导率的测量方法。在国内目前已经有国家标准GB/T 10297-2015,GB/T 11205-2009。美国材料与试验协会也有ASTMCH13,ASTMD5930等标准。欧洲、日本也有相应的标准。这些标准中历史最长的已经存在了四十多年。但是，关于热线法测量材料的热导率的数据处理确实存在严重问题，致使热线法测量材料热导率的误差极大，限制了这种测量方法的运用，在热物性测量中一直处于从属的地位。

热线法测量材料的热导率的物理模型是一维圆柱面传热问题。并以一维圆柱面传热问题的精确解的一次积分式

为基础进行测量的。

式中,θ(r₀，τ)＝T(r₀，i)-T(r₀，t₀)表示待测材料中热线表面与材料界面处，在τ＝t-t₀时间内的温升，单位为K。t₀为加热测量的起始时刻，单位为秒。T(r₀，t)表示热线表面t时刻的温度。T(r₀，t₀)为该处起始加热时刻的温度。为加热测量时的热流强度，单位为W·m^-2；I表示热线通过的电流强度，单位为A；R代表热线的电阻，单位为Ω；r₀表示热线半径，单位为m；l表示热线长度，单位为m。λ为待测材料的热导率，单位为W·m^-1·K^-1；c＝0.57726，为积分常数；为热扩散系数，单位为m²·s^-1。ρ表示待测材料的密度，单位为kg·m^-3；c_p表示待测材料的定压比热容，单位为J·kg^-1·K。

但是，在运用(a)式处理测量数据时，这些标准都采用求温度差的方法消去了积分常数、热线半径和热扩散系数，损失了重要的测量信息，致使用这种方法获得的温升与测温时间对数之间的关系式

因而有

可以用于计算材料的热导率。

应用(c)式计算待测材料的热导率，存在严重的理论误差。例如，实验测量表明：当用半径为3毫米的热线进行测量时，用(c)式计算热导率的测量值，竟比用正确的数据处理方法计算出来的热导率的测量值系统地高出18％，这种误差也随热线半径选取的变化而变化。以致国标GB/T 10297-2015中，明确标定其测量误差为：“测量值的置信度为95％时的重复性(同一测量人员，同一仪器)约±5％,重现性(不同测定人员，不同仪器)约±10％”。如此之大的测量误差，实在是无法让人接受。出现这种情况，消去了上述的热线半径，积分常数和热扩散系数等因子是最重要的原因之一。

为避开这种数据处理方法，直接从(a)式出发，进行恒等变换，得到

θ(r0，τ)＝klnτ+D (d)

式中

C^*＝e^c (g)