非金属固体材料导热系数的测量.docx

山东大学学生物理实验报告实验项目：不良导体导热系数测量方法及仪器 完成人：韩益洪 学号：201300181051 学院：电气工程学院前言本文介绍了导热系数测量的基本理论与定义，热线法、激光法、动态测量法等几类测量方法的原理与应用，以及德国耐驰公司（NETZSCH）的相关仪器 在某些应用场合，了解材料的导热系数，是测量其热物理性质的关键例如，耐火材料常被用作炉子的衬套，因为它们既能耐高温，又具有良好的绝热特性，可以减少生产中的能量损耗航天飞机常使用陶瓷瓦作挡热板陶瓷瓦能承受航天飞机回到地球大气层时产生的高温，有效防止航天器内部关键部件的损坏在现代化的燃气涡轮电站，涡轮的叶片上的陶瓷涂层（如稳定氧化锆）能保护金属基材不受腐蚀，降低基材上的热应力有效的散热器能保护集成电路板与其它电子设备不受高温损坏，散热材料已经成为微电子工业领域关键材料 在过去的几十年里，已经发展了大量的导热测试方法与系统然而，没有任何一种方法能够适合于所有的应用领域，反之对于特定的应用场合，并非所有方法都能适用。

要得到准确的测量值，必须基于材料的导热系数范围与样品特征，选择正确的测试方法1.热线法测量不良导体导热系数 用热线法测量不良导体导热系数是一种广泛使用的方法，国家对此制定了标准——“非金属固体材料导热系数的测定——热线法”（GB/T 10297-1998）基本原理如图1所示，在匀质均温的物体内部放置一电阻丝，即热线，对其以恒定功率加热时，热线及其附近试样的温度将随时间变化根据时间与温度的变化关系，可以确定该试样的导热系数[1] [原理简述]由热传导理论[2]可知，恒定功率的热线对匀质物体进行热传导时，可以用一维柱坐标系的热传导方程对物体的温度场进行描述：     （1） 边界条件为： 根据热传导方程和边界条件得到：其中各物理量含义为，t：热线的加热时间，单位为s；r：距热线的距离，单位为m；q：热线单位长度的加热功率，单位为W/m；：加热时间t，距离热线距离r处的温升，单位为K；α：试样的热扩散率，单位为m2/s；λ：试样的导热系数，单位为W/（m·K），对于非金属固体材料，该系数一般小于2 W/（m·K）假设，即r→0或αt→∞，利用Euler公式，忽略展开后二次项以后的各项如果在不同时间t1、t2，测的同一点r处的温升为，则：（4）根据上式可以得到试样的导热系数（5）式中，I、U分别热线的通电电流（单位为A）和电压（单位为V），L为有效加热长度（单位为m）。

因此，当等时间间隔测量试样的温升时，ln(t2/t1)和呈线性关系，据此计算试样的导热系数[实验设计]实验装置如图2所示试样为环氧树脂，有效长度220mm，直径28mm加热丝为钨杆，直径1mm，RWu=0.01650Ω，加热电流3~5A温度测量利用电阻——温度系数（αR=0.00393℃-1）线性比较好的铜丝进行，关系式为： RCu=R0(1+αR t)             （6）R0为0℃时的电阻值铜丝直径0.21mm，为保证基本不产生热效应，宜选择小工作电流（<2mA），当试样温度变化时，铜丝电压也随之变化增加铜丝绕制匝数或减小直径，可以获得较大变化的电压值[实验步骤]1． 由于热丝加热和铜丝电阻测量均采用恒流供电，因此要确定工作电流大小特别注意：调节电流时，恒流源不能开路调节（否则Pout®¥，电源会烧毁）2． 将加热丝和采样小电阻串入大电流恒流源，120mV电压表检测大恒流源输出和加热丝工作状态（实验要求加热功率变化小于±1%）将测温铜电阻和采样大电阻串入小电流电路，120mV电压表检测小恒流源输出和铜丝电阻变化 3． 确定各连线没有问题后，先接通测温电路，再接通加热电路，稳定10分钟左右后开始记录数据，时间间隔自定，电流稳定性观测间隔约5~10分钟，铜丝电阻测量一般取2~5分钟记录一点，工作过程1~1.5小时。

尽可能保持环境稳定 [数据处理] 1．数据记录初始温度t=___℃；单位时间间隔的加热电流、电压，铜丝电流、电压；结束温度t=___℃ 2．实验报告要求：1) 记录实验仪器规格2) 根据初始时环境温度，铜丝的电阻——温度系数、电流和电压值确定的铜丝的R0 3) 写出求解环氧树脂导热系数的过程（包括公式推导、数据代入过程等），可以用坐标纸或计算机处理数据4) 分析加热功率是否满足波动小于±1%5) 分析改变实验条件，如加热电流、测温电流等，对实验数据的影响 6) 总结实验的特点及可能产生误差的原因，解决设想7) 你是否愿意将此实验该为计算机采集？请与老师联系E-mail: gpl@参考文献1． 国家质量技术监督局，“非金属固体材料导热系数的测定——热线法”（GB/T 10297—1998） 2． 奥齐西克编著，俞昌铭译，《热传导》，高等教育出版社，1983 3． 朱鹤年编著，《物理实验研究》，清华大学出版社，19942.闪光法测不良导体热导率摘 要：本实验使用闪光法热导仪测量不良导体热导率，重点介绍了一种测定材料热物性参数的方法，并依据该方法进行材料热导率的测量关键词：闪光法 不良导体 热导率1实验目的1、测定不良导体热导率；2、了解一种测定材料热物性参数的方法；3、了解热物性参数测量中的基本问题；4、学习使用高压脉冲光源和光路调节技术以及用微机控制实验和采集处理数据2 基本知识1、热传导指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换过程。

其微观机制是，由自由电子或晶格振动波作为载体进行热量交换的过程宏观上是由于物体内部存在温度梯度，发生从高温区向低温区域传输能量的过程2、热导率是反映物质导热能力的重要物性参数，其数值是每单位时间内，在每单位长度上温度降低1摄氏度时，每单位面积上通过的热量3、稳态发和非稳态法测固体材料热导率的方法大体有两类：一类是稳态法，另一类是非稳态法由于试样的性质、形状、测试温度范围、加热方式以及测定传递热量的方法各不相同，又有许多不同的具体方法非稳态法用的是非稳态导热微分方程，测量的量是温度随时间的变化关系，得到的是热扩散率，利用材料的已知密度和比热容，可以求得热导率本试验中使用的闪光法就是非稳态法的一种3实验原理1、傅立叶导热定律和热导率利用热流密度的矢量形式表示，有傅立叶导热定律：q=-λgrad T其中q为热流密度矢量，表示在单位等温面上沿温度降低方向单位时间内传递的热量λ为热导率2、材料热导率的测量方法闪光法工作环境及原理：在一个四周绝热的圆形薄片正面，辐照垂直于圆片正面的均匀脉冲光，测出一维热流条件下试样背面的温升曲线，有曲线找出最大温升的一半（T1/2）所对应的时间（t1/2），就可确定热扩散率α，进而再由次材料的比热容c、密度ρ即可算出热导率λ。

热导率计算公式：λ=1.38ρcL2/π2 t1/2 （★）下图为闪光法原理图图1闪光法测扩散率α的原理图4 实验仪器仪器包括闪光法热导仪（包括高压脉冲氙灯和光源、光学调节系统、待测样品、P-N结温度传感器、放大电路、AD/DA卡、微机、软件等）本实验装置分为三部分：①光学系统 ②测温系统 ③数据采集和处理系统装置框图见图2所示图2 测量系统示意框图1、光学系统包含高压脉冲氙灯，氙灯电源，椭球反光镜，样品和样品盒，氙灯及样品的三维调节装置实验所用的高压脉冲氙灯形状为直管式当电极两端加高压600-1000V，极间放电，发出耀眼的白光本实验就是利用氙灯的瞬间放电对试样进行加热2、测温系统它的作用是将其对温度变化的响应以电压形式输出为了能被微机识别，需将输出信号放大两只温度传感器的作用分别是作为测温元件和用于补偿电路中放大电路中所用放大器为低噪声场效应运算放大器，信噪比较高，试样为酚醛胶布板、大理石、瓷砖3、数据采集和处理系统实验中利用D/A转换功能触发光脉冲，同时用A/D转换功能采集由PN结温度传感器接收到的样品背面的温升信号，由微机屏幕显示出温升曲线5 实验内容及设计步骤：（1）观察光学系统的结构以及测量系统的接线。

因属光学精密仪器，不得擅自调节！（2）开启微机，进入“TC-II闪光法热导仪实验系统”先在主菜单中选择“文件”项，在“文件”菜单中选“新建”项，再选择主菜单中“数据”项中的“选项”，设置AD/DA参数一般基本项都已设置好，只选“采样极性”，通常为“双极性”再选“采集与报警”，只要给定“采集时间”并设定“外触发脉冲”的电压值为0V确定后，再打开主菜单的“数据”，选“开始采集”，则系统在指令发出后延迟2s，自动采集数据，因未触发高压脉冲，此数据为无效数据3）开启高压脉冲电源，将电压调到600V4）重复步骤（2），只需将“外触发脉冲”的电压值调节为5V，系统会自动触发高压脉冲，电源给氙灯加一高压，氙灯闪光，窗口中显示出实时采集的图像，这就是样品背面采集的温升曲线（见图3）图3 样品背面采集的温升曲线（5）重复测量待测样品的温升曲线，每隔10分钟测一次，共测三次，求出t1/2的值样品的厚度分别为：酚醛胶布板3.01±0.01mm、大理石2.94±0.02mm、瓷砖2.92±0.02mm计算试样材料的热导率λ密度和比热容可利用表1给出的标准值样品密度（g/cm2）比热（cal/g℃）酚醛胶布板1.320.25瓷砖2.200.17大理石3.070.16表1 三种样品的密度和比热容（6）对同一样品在不加热的情况下取其“温升-时间”曲线，观察由于环境温度的波动、二极管本身的热噪声等因素对测量结果的影响，给出评价。

6实验数据及分析1、数据处理（1）直接从数值矩阵中读取T0（样品初始温度）和Tm（样品最大温升），算出(T0+ Tm)/2，再用光标及数值矩阵中读取相应的t1/2‘，计算t1/2；（2）用“数据拟合”功能对数据进行多项式拟合，从拟合曲线上求出t1/2，与（1）中计算出的t1/2比较由于三号微机无法存取图像，故本实验取大理石样品实验数据中的两组以及酚醛胶布板样品中的一组进行处理得表2大理石第一组t0（s）T0（℃）tm（s）Tm（℃）(T0+ Tm)/2(对应t1/2‘) (℃)t1/2（t1/2‘- t0）（s）原始数据0.66-0.237422.24-0.1139-0.175652.96数据拟合0-0.2414826.42-0.11333-0.1774053.51散热修正0.66-0.237424.66-0.1084-0.17293.07第二组t0（s）T0（℃）tm（s）Tm（℃）(T0+ Tm)/2(对应t1/2‘) （℃）t1/2（t1/2‘- t0）（s）原始数据0.33-0.257916.14-0.1433-0.20063.07数据拟合0-0.2414814.28-0.11424-0.1776943.51散热修正0.66-0.237426.03-0.1084-0.17293.18酚醛胶布板t0（s）T0（℃）tm（s）Tm（℃）(T0+ Tm)/2(对应t1/2‘)。