[发明专利]一种测量宽温域材料热导率的装置及方法

说明书

本发明提供一种测量宽温域材料热导率的装置及方法，属于热导率测量技术领域。该装置包括三次谐波法独立型传感器、电信号采集及处理模块、高温真空加热炉，电信号采集及处理模块包括高精度差分放大器、锁相放大器、可调电阻箱、高精度直流电源、前置放大器、转换器及电容，用于对传感器产生的电信号进行采集、放大及处理，高温真空加热炉包括炉体、加热模块、冷却模块、真空模块，用于提供谐波法试验所需的温域环境和真空条件，炉内传感器通过耐高温引线穿过炉膛侧壁真空电极，连接外部设备，实现电路闭合。该发明克服了以往热特性测试装置不能实现高温测量和探测器不能多次使用等缺点，保证材料在测试后的再利用性和探测器的重复利用。

技术领域

本发明涉及热导率测量技术领域，特别是指一种测量宽温域材料热导率的装置及方法。

背景技术

材料的热物性参数与工作环境温度密切相关。对于多孔陶瓷骨架材料和相变材料等非金属材料而言，晶格中自由电子的数目很少，所以主要的导热机构为晶格振动，即依靠声子进行热传导，在其他条件相同的情况下，热导率与声子平均自由程呈正比关系。当温度升高时，声子与声子的进行相互作用的可能性增强，声子散射加强，声子的平均自由程变化，从而导致高温下材料的热导率与室温下物性相比存在较大的差异性，室温环境下测量的材料的热物性参数显然并不能实际代表工作温度下材料的热物性。对于航空航天、太阳能热发电、余热回收等高温技术领域，实现不同温域下材料热导率的精确测量具有重要的应用价值。显热多孔陶瓷具有耐高温、热导率较高，价格低廉等优点，但储热量较低；相变材料利用相变潜热进行热储存，具有较高的储热密度，但导热能力较低差，且相变过程中会存在泄露等问题；多孔陶瓷作为骨架材料，相变材料作为芯材，即显热-潜热复合相变材料，可以进一步提高储热密度，加快储热速率，增强复合材料的导热性能，逐渐成为储能领域研究的重要材料，而对多孔陶瓷基相变复合材料传/蓄热性能测试更是成为相变储能领域发展的一个重要环节。常规的稳态热物性测试方法在测量高温下储能块状材料时具有较大的辐射误差，所以对复合相变材料的热导率开展精确测量十分困难。三次谐波法使用的样品很小，通过减小换热面积从而可以有效减小辐射对热导率带来的影响，但是陶瓷内部及表面存在纳米至微米级的孔结构，使得直接在材料表面沉积微型探测器的谐波法不在适用，而且在表面沉积探测器对材料会进行一定破坏，影响对材料进行其他机理分析，且限制了探测器的多次使用，所以对储能材料等块状材料不同温域下的无损和精确测量是一项十分有意义的发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测量宽温域材料热导率的装置及方法。

该装置包括线型加热器/探测器模块、耐高温基底、高温真空加热炉、电信号采集及处理模块，线型加热器/探测器模块设置在耐高温基底上，耐高温基底设有线型加热器/探测器模块一面压向待测材料样品，耐高温基底置于高温真空加热炉内，线型加热器/探测器模块连接电信号采集及处理模块；线型加热器/探测器模块包括线型加热器/探测器、第一电流引线件、第一探测电压引线件、第二探测电压引线件、第二电流引线件，电信号采集及处理模块包括信号发生器、微机控制与数据采集系统、信号处理系统、前置放大器、锁相放大器、可调电阻、第一电流引线端、第一电压引线端、第二电压引线端、第二电流引线端，信号处理系统包括转换器、第一运算放大器、第二运算放大器、第一低温漂电阻、第二低温漂电阻、第三低温漂电阻、第四低温漂电阻、第五低温漂电阻、第六低温漂电阻、第七低温漂电阻、第八低温漂电阻，高温真空加热炉包括保温材料、炉体支撑、炉前门、真空管道、罗茨泵、机械泵、加热元件、引线装置、管道法兰，炉体下部为炉体支撑，炉体内设置保温材料，炉体正面设置炉前门，炉体后部通过真空管道连接罗茨泵，炉体后部和真空管道之间设置管道法兰，炉体下部设置机械泵，炉体上部设置引线装置，保温材料内设置加热元件。

线型加热器/探测器模块和耐高温基底构成三次谐波法独立型传感器，三次谐波法独立型传感器基于非对称导热模型，以耐高温绝缘材料为传感器基底，采用掩模版物理沉积的方法，在表面光滑平整的基底上沉积金属探测器；探测器表面镀有一层耐磨绝缘保护膜，三次谐波法独立型传感器结构从下到上分别为耐高温基底、线型加热器/探测器模块、耐磨绝缘保护膜，其中，耐磨绝缘保护膜为氮化硅。