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     導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀

使用說明書

    北 京 恒 奧 德 科 技 有 限 公 司

地址：北京北洼路90號(hào)院   郵編：100142

電話：010-51666919     傳真： 68465110

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一、 概述

導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）是反映材料導(dǎo)熱性能的物理量，它不僅是評(píng)價(jià)材料的熱學(xué)特性的依據(jù)，而且是材料在應(yīng)用時(shí)的一個(gè)設(shè)計(jì)依據(jù)，在加熱器 、散熱器、傳熱管道設(shè)計(jì)、房屋設(shè)計(jì)等工程實(shí)踐中都要涉及這個(gè)參數(shù)。因?yàn)椴牧系臒釋?dǎo)率不僅隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)變化都會(huì)明顯影響熱導(dǎo)率的數(shù)值，所以在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中對(duì)材料的熱導(dǎo)率常用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定。

測(cè)量熱導(dǎo)率的方法大體上可分為穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法兩類。本測(cè)試儀采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其設(shè)計(jì)思路清晰、簡(jiǎn)捷、實(shí)驗(yàn)方法具有典型性和實(shí)用性。測(cè)量物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)是熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要內(nèi)容。

本測(cè)試儀由加熱器、數(shù)顯溫度表、數(shù)顯計(jì)時(shí)器等組成（采用一體化設(shè)計(jì)）

二、 主要技術(shù)指標(biāo)

1、 電源：AC（220±10%）V，（50/60）HZ

2、 數(shù)字溫度表：測(cè)量精度：0.2%±1個(gè)字.

3、 數(shù)字計(jì)時(shí)秒表:計(jì)時(shí)范圍: 0～100min;最小分辨率1S;精度:10-5

4、 測(cè)量溫度范圍:室溫～500℃(最高加熱溫度550℃)

5、 加熱電壓: 36VAC

6、 散熱銅板:半徑:65mm 厚度:7mm 質(zhì)量:815g(以上的參數(shù)已在每一塊銅板上標(biāo)注,以上提供的僅為參考值)

7、 測(cè)試材料:硬鋁、橡皮、空氣等

8、 連續(xù)工作時(shí)間：＞8小時(shí)

三、 儀器維護(hù)與保養(yǎng)

1、 使用前將加熱盤與散熱盤的表面擦干凈。樣品兩端面擦凈，可涂上少量導(dǎo)熱硅油。以保證接觸良好。

2、 實(shí)驗(yàn)過程中，裝樣、卸樣請(qǐng)注意熱面溫度，以免燙傷手。

3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，切斷電源，保管好測(cè)量樣品。不要使樣品兩端劃傷，以至影響實(shí)驗(yàn)的精度。數(shù)字溫度表數(shù)字出現(xiàn)不穩(wěn)定時(shí)先查熱電偶及各個(gè)環(huán)節(jié)的接觸是否良好。

4、 儀器在搬運(yùn)及放置時(shí)，應(yīng)避免強(qiáng)烈振動(dòng)和受到撞擊。

5、 儀器長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)，請(qǐng)?zhí)咨纤芰洗�，防止潮濕空氣長(zhǎng)期與儀器接觸。房間內(nèi)空氣濕度應(yīng)小于80%。

6、 儀器使用時(shí)，應(yīng)避免周圍有強(qiáng)烈磁場(chǎng)源的地方。

7、 長(zhǎng)期放置不用后再次使用時(shí)，請(qǐng)先加電預(yù)熱30min后使用。

四、 成套清單

1、導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀             1臺(tái)

2、電源線                             1根

3、測(cè)試樣品（硬鋁、橡皮、膠木）       1組

4、使用說明書                         1份

5、產(chǎn)品合格證                         1份

6、計(jì)算軟件                           1份

五、    售后服務(wù)

在用戶遵守保管和使用規(guī)則的條件下，從發(fā)貨之日起十二個(gè)月內(nèi)因產(chǎn)品質(zhì)量不良而發(fā)生損壞或不能正常工作時(shí)，制造廠應(yīng)無償?shù)貫橛脩粜蘩砘蚋鼡Q零部件。

                          導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量

導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）是反映材料熱性能的物理量，導(dǎo)熱是熱交換三種（導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射）基本形式之一，是工程熱物理、材料科學(xué)、固體物理及能源、環(huán)保等各個(gè)研究領(lǐng)域的課題之一，要認(rèn)識(shí)導(dǎo)熱的本質(zhì)和特征，需了解粒子物理而目前對(duì)導(dǎo)熱機(jī)理的理解大多數(shù)來自固體物理的實(shí)驗(yàn)。材料的導(dǎo)熱機(jī)理在很大程度上取決于它的微觀結(jié)構(gòu)，熱量的傳遞依靠原子、分子圍繞平衡位置的振動(dòng)以及自由電子的遷移，在金屬中電子流起支配作用，在絕緣體和大部分半導(dǎo)體中則以晶格振動(dòng)起主導(dǎo)作用。因此 ，材料的導(dǎo)熱系數(shù)不僅與構(gòu)成材料的物質(zhì)種類密切相關(guān)，而且與它的微觀結(jié)構(gòu)、溫度、壓力及雜質(zhì)含量相聯(lián)系。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)作工程設(shè)計(jì)中所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)都需要用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定。（粗略的估計(jì)，可從熱學(xué)參數(shù)手冊(cè)或圖表中查尋）

1882年法國(guó)科學(xué)家J·傅里葉奠定了熱傳導(dǎo)理論，目前各種測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的方法都是建立在傅里葉熱傳導(dǎo)定律基礎(chǔ)之上，從測(cè)量方法來說，可分為兩大類：穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法，本實(shí)驗(yàn)采用的是穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

[實(shí)驗(yàn)原理]

為了測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，首先從熱導(dǎo)率的定義和它的物理意義入手。熱傳導(dǎo)定律指出：如果熱量是沿著Z方向傳導(dǎo)，那么在Z軸上任一位置Z0處到一個(gè)垂直截面積dS（如圖1）以表示在Z處的溫度梯度，以表示在該處的傳熱速度（單位時(shí)間內(nèi)通過截面積dS的熱量），那么傳導(dǎo)定律可表示成：

dQ= - λ（）Z0dS·dt            （SI-1）

式中的負(fù)員表示熱量從高溫區(qū)傳導(dǎo)（即熱傳導(dǎo)的方向與溫度梯度的方向相反）。式中比例系數(shù)λ即為一個(gè)單位的情況下，單位時(shí)內(nèi)垂直通過單位面積截面的熱量。

利用（S1-1）式測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ，需解決的關(guān)鍵問題兩個(gè)：一個(gè)是在材料內(nèi)造成一個(gè)溫度梯度并確定其數(shù)值；另一個(gè)測(cè)量材料內(nèi)由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速率。

1、 關(guān)于溫度梯度

為了在樣品內(nèi)造成一個(gè)溫度的梯度分布，可以把樣品加工成平板狀，并把夾在兩塊良導(dǎo)體---銅板之間（圖2）使兩塊銅板分別保持在恒定溫度T1和T2，就可能在垂直于樣品表面的方向上形成溫度的梯度分布。樣品厚度可做成h<<D（樣品直徑）。這樣，由于樣品側(cè)面積比平板面積小得多，由側(cè)面散去的熱量可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為熱量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導(dǎo)，即只在此方向上有溫度梯度。由于銅是熱的良導(dǎo)體，在達(dá)到平衡時(shí)，可以認(rèn)為同一銅板各處的溫度相同，樣品內(nèi)同一平行平面上各處的溫度也相同。這樣只要測(cè)出樣品的厚度h和兩塊銅板的溫度T1、T2，就可以確定樣品內(nèi)的溫度梯度度當(dāng)然這需要銅板與樣品表面的緊密接觸，無縫隙，否則中間的空氣層將產(chǎn)生熱阻，使得溫度梯度測(cè)量不準(zhǔn)確。

為了保證樣品中溫度場(chǎng)的分布具有良好的對(duì)稱性，把樣品及兩場(chǎng)銅板都加工成等大的圓形。

2、 關(guān)于傳熱速率

單位時(shí)間內(nèi)通過一截面積的熱量是一個(gè)無法直接測(cè)定的量，我們?cè)O(shè)法將這個(gè)量轉(zhuǎn)化為較為容易測(cè)量的量，為了維持一個(gè)恒定的溫度梯度分布，必須不斷地給高溫側(cè)銅板加熱，熱量通過樣品傳到低溫側(cè)銅塊，低溫側(cè)銅板則要將熱量不斷地向周圍環(huán)境散出。當(dāng)加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時(shí)，系統(tǒng)就達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，稱之為穩(wěn)態(tài)。此時(shí)低溫側(cè)銅板的散熱速率就是樣品內(nèi)的傳熱速率。這樣，只要測(cè)量低溫側(cè)銅板在穩(wěn)態(tài)溫度T2下散熱的速率，也就間接測(cè)量出了樣品內(nèi)的傳熱速率。但是，銅板的散熱速率也不易測(cè)量，還需要進(jìn)一步作參量轉(zhuǎn)換，我們已經(jīng)知道，銅板的散熱速率與共冷卻速率（溫率變化率）有關(guān)，其表達(dá)式為

T2 = - mc|T2           （S1-2）

式中的n為銅板的質(zhì)量，C為銅板的比熱容，負(fù)號(hào)表示熱量向低溫度方向傳遞。因?yàn)橘|(zhì)量容易直接測(cè)量，C為常量，這樣對(duì)銅板的散熱速率的測(cè)量又轉(zhuǎn)化為對(duì)低溫側(cè)銅板冷卻速率的測(cè)量。測(cè)量銅板的冷卻速率可以這樣測(cè)量：在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，移去樣品，用加熱不鎊鋼板直接對(duì)下金屬銅板加熱，使其的溫率高于穩(wěn)定T2（大約高出10℃左右）再讓其在環(huán)境中自然冷卻，直到溫度低于T2，測(cè)出溫度在大于T2到小于T2區(qū)間中隨時(shí)間的變化關(guān)系，描繪出T---t曲線，曲線在T2處的斜率就是銅板在穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)T2下的冷卻速率。

應(yīng)該注意的是，這樣得出的是在銅板全部表面暴露于空氣中的冷卻速率，其散熱面積為2πRp2+2πRphp（其中Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度）然而在實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，銅板的上表面（面積為πRp2）是樣品覆蓋的，由于物體的散熱速率與它們的面積成正比，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)，銅板散熱速率的表達(dá)式應(yīng)修正為：

dQ         dt     πRp2+2πRphp

--- = -mc ---- ·--------------     （S1-3）

dt         dt     2πRp2+2πRphp

根據(jù)前面的分析，這個(gè)量就是樣品的傳熱速率。

將上式代入熱傳導(dǎo)定律表達(dá)式，并考慮到ds=πR2可以得到導(dǎo)熱系數(shù)：

   2hp+Rp       1        h       dT

λ= -mc---------·--------·------·-----|T = T2  (S1-4)

        2hp+2Rp     πR2      T1-T2     dt

式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的質(zhì)量、C為銅塊的比熱容、Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度。右式中的各項(xiàng)均為常量或直接易測(cè)量。

[實(shí)驗(yàn)步驟]

1、 用自定量具測(cè)量樣品、下銅板的幾何尺寸和質(zhì)量等必要的物理量，多次測(cè)量、然后取平均值。其中銅板的比熱容C=0.385KJ/(K.Kg)

2、 先放置好待測(cè)樣品及下銅板（散熱盤），調(diào)節(jié)下圓盤托架上的三個(gè)微調(diào)螺絲，使待測(cè)樣品與上下銅板接觸良好。熱電偶插入銅盤上的小孔時(shí)，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，使熱電偶測(cè)溫端與銅盤接觸良好。

3、  溫度表控制升溫步驟：

（一）設(shè)置程序：按“←”鍵一下即放開，儀表就進(jìn)入設(shè)置程序狀態(tài)。儀表首先顯示的是當(dāng)前運(yùn)行段起始給定值，可按“←”、“↓”和“↑”鍵修改數(shù)據(jù)。按“）”鍵則顯示下一要設(shè)置的程序值，每段程序按“時(shí)間-給定值-時(shí)問-給定值”的順序依次排列。按“←”鍵并保持不放2秒以上，返回設(shè)置上一數(shù)據(jù)，先按“←”鍵再接著按“）”鍵可退出設(shè)置程序狀態(tài)。在程序運(yùn)行時(shí)也可修改程序。在運(yùn)行中，在恒溫段如果改變給定值，則要同時(shí)修改當(dāng)前段給定值和下一段給定值，如果要增加或縮短保溫時(shí)間，則可增加或減少當(dāng)前段的段時(shí)間。在升降溫段如果有改變升降溫斜率，可根據(jù)需要改變段時(shí)間，當(dāng)前段給定溫度和下一段的給定溫度。例如：C01=開始實(shí)測(cè)溫度，T01=（實(shí)驗(yàn)溫度-開始實(shí)測(cè)溫度）/升溫速率，C02=實(shí)驗(yàn)溫度，T02=恒溫時(shí)間（可設(shè)8000），C03=實(shí)驗(yàn)溫度，T03=-121。

（二）運(yùn)行：如果程序處于停止?fàn)顟B(tài)（下顯示器交替顯示“stop”），按“↓”鍵并保持2秒鐘，儀表下顯示器將顯示“run”的符號(hào)，則儀表開始運(yùn)行程序。

（三）停止程序運(yùn)行：如果程序處于運(yùn)行狀態(tài)，按“↑”鍵并保持2秒鐘，儀表下顯示器將顯示“stop”的符號(hào)，此時(shí)儀表進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。 (參照智能溫度控制器使用說明書)。

（四）合上“加熱開關(guān)”，對(duì)上不銹鋼板進(jìn)行加熱。

4、 上不銹鋼板加熱到設(shè)定溫度時(shí)，（1）觀察上不銹鋼板的溫度。當(dāng)上不銹鋼板的溫度保持不變時(shí)（可通過加熱板溫度顯示來觀測(cè)），記錄下此時(shí)上不銹鋼板的溫度（T1），在不斷地給高溫側(cè)不銹鋼板（上不銹鋼板）加熱，熱量通過樣品不斷地傳到低溫側(cè)銅塊（下銅塊），經(jīng)過一定的時(shí)間后，當(dāng)下銅板的溫度基本不變時(shí)，記錄下此時(shí)下銅板的散熱板溫度值（T2）。此時(shí)則可認(rèn)為已達(dá)到了穩(wěn)態(tài)。（大約在五分鐘內(nèi)下銅板的溫度保持不變）

5、移去樣品，繼續(xù)對(duì)下銅板加熱，當(dāng)下銅盤溫度比T2高出10℃左右時(shí)（高溫時(shí)要多些），移試樣架，讓下銅盤所有表面均暴露于空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30秒讀一次下銅盤的溫度示值并記錄，直至溫度下降到T2以下一定值。作銅板的T-t冷卻速率曲線。（選取鄰近的T2測(cè)量數(shù)據(jù)來求出冷卻速率）。

6、 根據(jù)（S1-4）計(jì)算樣品的導(dǎo)熱系數(shù)λ，或數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)計(jì)算。

7、 設(shè)置上不銹鋼板不同的加熱溫度，在設(shè)定加熱溫度時(shí)，須高出室溫30℃。設(shè)定不同的加熱溫度，測(cè)量出不同溫度下樣品的導(dǎo)熱系數(shù)λ。

[實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)] 

1、 穩(wěn)態(tài)法測(cè)量時(shí)，要使溫度穩(wěn)定約要40分鐘左右，同時(shí)每隔30秒記下樣品上、下圓盤A和P的溫度T1和T2的數(shù)值，待T2的數(shù)值在2分鐘內(nèi)不變即可認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記下此時(shí)的T1和T2值。

2、 測(cè)金屬（或陶瓷）的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，T1、T2值為穩(wěn)態(tài)時(shí)金屬樣品上下兩個(gè)面的溫度，此時(shí)散熱盤P的溫度為T3。因此測(cè)量P盤的冷卻速率應(yīng)為：

△T                    △T            h       1

------- |T=T3  ∴λ= mc ----- |T=T3·-------·-----

△t                    △t          T1-T2    πR2

測(cè)T3值時(shí)要在T1、 T2達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，將上面測(cè)T1和T2的熱電偶移下來進(jìn)行測(cè)量。

3、 圓筒發(fā)熱體盤側(cè)面和散熱盤P側(cè)面，都有供安插熱電偶的小孔，熱電偶插入小孔時(shí)，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，保證接觸良好，。

4、 樣品圓盤B和散熱盤P的幾何尺寸，可用游標(biāo)尺多次測(cè)量取平均值。散熱盤的質(zhì)量m約0.8Kg，可用藥物天平稱量。

附錄一：部分材料的密度和導(dǎo)熱數(shù)

附錄二：導(dǎo)熱系數(shù)單位換算

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀制樣附加說明

材料的范疇很廣，有金屬和非金屬、均質(zhì)的和非均質(zhì)的、單體的和復(fù)合材料、液態(tài)、固態(tài)、粉料等，導(dǎo)熱系數(shù)范圍非常寬。通過制取不同形狀的試樣，利用導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試平臺(tái)，可檢測(cè)大部分材料。

高導(dǎo)熱材料的檢測(cè)方法：平板穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，主要是測(cè)量冷熱面溫差和熱流兩個(gè)參數(shù)量，儀器測(cè)量這兩參數(shù)量時(shí)，都有測(cè)量量程和精度的限制。通過制樣可使材料的冷熱面溫差和熱流都落在儀器的量程和精度范圍內(nèi)。在測(cè)量高導(dǎo)熱材料時(shí)，要減小熱流傳遞和提高冷熱面溫差。減小熱流可通過減小試樣的傳熱面積來獲得，提高冷熱面溫差可通過增加試樣厚度來獲得。試樣與冷熱板的接觸熱阻相對(duì)高導(dǎo)熱試樣熱阻是非常大的，測(cè)量時(shí)必須消除接觸熱阻。方法是在試樣測(cè)量面兩端打2個(gè)溫度測(cè)量孔，把測(cè)量冷熱板溫度的熱電偶插在試樣的溫度測(cè)量孔內(nèi)，這樣，測(cè)量的冷熱溫差值就不包含接觸熱阻形成的溫差了，試樣厚度數(shù)據(jù)要以試樣2個(gè)溫度測(cè)量孔的間距來計(jì)算。如果熱面溫度比環(huán)境溫度高很多，就要考慮試樣表面散熱，可在試樣表面包上保溫層。測(cè)量鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)制樣如下圖所示：

粉狀或膠狀材料的檢測(cè)方法：測(cè)量膠狀物時(shí)，要做一個(gè)圍框，裝樣時(shí)，裝滿并稍高于圍框邊。

粉狀料的緊實(shí)度與導(dǎo)熱系數(shù)有很大的關(guān)系，要考慮測(cè)量什么狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，測(cè)量自然狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，要做一個(gè)圍框，裝樣時(shí)，裝滿并稍高于圍框邊。

有些粉狀料通過壓機(jī)制樣，可測(cè)量不同緊實(shí)度下導(dǎo)熱系數(shù)。

粉狀料還可調(diào)粘結(jié)劑進(jìn)行測(cè)量。

薄試樣的檢測(cè)方法：非常薄的試樣可采用疊層的辦法進(jìn)行測(cè)量。

以上是特殊試樣的取樣方法，一般取樣是散熱板面積和一定厚度，導(dǎo)熱系數(shù)高的取厚一點(diǎn)，導(dǎo)熱系數(shù)低的取薄點(diǎn)。

總的規(guī)律是：導(dǎo)熱系數(shù)低的試樣取薄、面積大、冷熱溫差大，導(dǎo)熱系數(shù)高的試樣取厚、面積小、冷熱溫差小。