[发明专利]一种操作便捷的材料热导率测试方法及装置

说明书

本发明涉及一种操作便捷的材料热导率测试方法及装置，该方法包括以下步骤：1)布设并连接材料热导率测试装置；2)控制直流电源对恒温陶瓷加热片进行加热，并以恒温陶瓷加热片作为热源，使得热量通过样品由恒温陶瓷加热片传递至散热铜板；3)数据记录仪通过K型热电偶分别测量恒温陶瓷加热片和散热铜板的温度，直至达到稳定；4)关闭直流电源，通过K型热电偶测量散热铜板在自然冷却过程中的温度变化，采用数据记录仪将采集的温度数据传输至计算机，计算机绘制散热铜板自然冷却过程中的冷却曲线，通过冷却曲线计算散热铜板的散热速率，进而得到样品的传热速率，即热导率。与现有技术相比，本发明具有操作简单、计算方便准确、成本低等优点。

技术领域

本发明涉及材料导热性能测试技术领域，尤其是涉及一种操作便捷的材料热导率测试方法及装置。

背景技术

在实际的工程领域中，快速、准确地测定出材料的热物性参数是个非常关键的问题，根据材料的热物性参数可以判断材料热性能的好坏，对材料进行分类。其中，导热系数，也称为热导率，是热物性参数的一种，也是衡量物质导热性能的一个重要参数，直接反映材料传导热量的能力大小，表征着物体之间热量传递的效率。

对于不同材料，热导率各不相同，对于同种材料，热导率也会随着温度、压力、湿度、物质的结构和重度等因素而异，因此采取合适的测试方法是获取精确热导率的重要手段。目前，对于材料热导率的获取主要有两种渠道，分别为理论计算和实验测量。其中，理论计算的方法需要考虑的因素较多、计算过程较复杂，且应用范围较窄，只适用于在特定条件下的特定物质，因此其预测值往往与实际值之间存在较大的误差，一般情况下不予采纳；实验测量是获取材料热导率的主要方法，按照热流的状态又可分为稳态法和非稳态法。

常用的稳态法有平板法、护板法、热流计法。该方法基于传热平衡原理，即传热速率与散热速率达成一致，只要已知待测材料两端的温度梯度和流过其单位面积的热流值，即可通过傅里叶公式计算其热导率。其中，稳态护板法测量的优势在于测量温度范围较大，但由于温度不平衡带来的误差较大，该问题一直是个技术难题，尽管采用多只热电偶组成的热电堆形式可以减小误差，但热电偶的数量并不是可以无限多来提升传感器的灵敏度，尽管采用超高精度的数字电压表进行测量和控制，可以减少热电堆中热电偶的数量，但这对于普通稳态护板法导热仪并不现实；采用稳态热流计法测量时间过长，热损失较大，且在测量大热阻和超低导热系数材料时，热流计法导热仪中的热流计在超低导热系数测试中的低热流测量时误差较大，而且还无法对热流计进行校准以及采用超低导热系数的标准材料进行校准。因此，稳态护板法和稳态热流计法在测量材料热导率的应用中往往存在较大的局限性。

常用的非稳态法，也称瞬态法，常用的有瞬态热线法、瞬态平面热源法、激光闪射法。其原理是基于测量系统及试样内的温度场随时间变化而变化，绘制试样的温度响应曲线，以求得试样的导热系数。其中，瞬态热线法虽然在测量精度和测量时间上有一定的优势，但该方法测量装置复杂、成本较高，且更多应用于流体材料导热系数的测量，而不适用于固体材料导热系数的测定，此外该方法的测试重复性较差；瞬态平面热源法面临着与瞬态热线法同样的问题，同时测试结果的稳定性、重复性都需要有大量的、可靠的数据支撑，且该方法只适用于测量热导率较低的材料，在实际测试选择过程中往往用于固体材料热导率的测试；激光闪射法可用来直接测量材料的热扩散性能，测量范围较广，且无破坏性的温度传感，能够实现高精度的测量，但该方法对试样预处理要求非常高，样品的处理对实验结果影响很大。

综上所述，在众多的测试方法中，稳态平板法作为测量中低温材料热导率的经典方法，因具有试样制作方便、原理清晰、公式简单、可准确、直接地获得热导率的绝对值，并适用于较宽温度范围等优点得到了广泛的应用。但值得关注的是，稳态法测试热导率的装置仍比较复杂，使测试的成本大大提高，因此，急需新的、装置简单且成本较低的热导率的测试方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作便捷的材料热导率测试方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：