材料导热系数的测量
材料导热系数的测量
导热系数是反映材料的导热性能的重要参数之一，在工程技术方面是必不可少的。所以对导热系数的研究和测量就显得很有必要。金属材料的导热起主要作用的是自由电子的运动，无机非金属材料的导热则是通过晶格结构的振动（声子）来实现。目前测量导热系数的方法都是建立在傅立叶导热定律的基础上的，分为稳态法和动态法。本实验介绍用稳态法，稳态法是通过热源在样品内部形成稳定的温度分布后，再进行测量的方法。 一、实验目的
1. 了解稳态法测无机非金属材料的导热系数的方法；
2. 掌握KY-DRX-RW 型导热系数测试仪的硬件和软件操作规程； 3. 利用测试仪测量石英、陶瓷两种材料的导热系数。 二、实验仪器
上海实博实业有限公司生产的KY-DRX-RW 型导热系数测试仪，主要由测试头、电器测控系统、冷却恒温水槽、计算机系统组成。各部件接线如图所示。
测试头由加热器、连接样品的上下热极、冷却器、测量热电偶、加压系统组成。加热器采用不锈钢材料加工而成，内装内热式加热器，由高精度数显温控表控温，提供稳定的热极温度。上下热极由不锈钢制成，表面安装有热电偶，热极的作用是传递热量和测量热量。冷却器也是不锈钢材料加工而成，内有水槽，通过管导与外恒温水槽相连，利用外恒温水槽与冷却器的水循环，在冷却器中形成第二恒温场，提供上热极冷端稳定温度。测量热电偶由4支组成，分别测量上下热极表面的4个温度点，利用温度梯度计算热流量。加压系统用于消除试样与热
极的热阻。 三、实验原理
当物体内部各处的温度不均匀时，就会有热量从温度较高处传递到温度较低处，这种现象叫热传导现象。对于各向同性的物质，在稳定传热状态下有傅立叶定律：
∆Q =-λ
dT
∆S ∆t dx
比例系数λ称导热系数，其值等于相距单位长度的两平面的温度相差为一个单位时，在单位时间内通过单位面积所传递的热量，单位是瓦·米-1·开－1（W·m -1·K -1）。
本实验采用的是稳态法测量导热系数。试样被夹在两金属块之间，加压系统是经由一个升降压板和弹簧加压。加热单元是由铜或是其他高导热性的材料构成的，且包含有套筒或是相似的加热线圈。它用热绝缘材料（环氧FR －4）与周围的保温加热器相隔离。绝缘材料为5mm 厚度。保温加热器不受压力，以确保所有的测量能量都传到高测量棒上。测量棒是由高热导性材料构成，并且具有平行的工作表面。冷却单元是一个金属盒，由恒温池对其冷却。实验时，一方面加热单元直接将热量通过样品下平面传入样品，另一方面冷却单元使传入样品的热量不断由样品的上平面散出，当传入的热量等于散出的热量时样品处于稳定导热状态，这时样品的上下平面的温度分别为一定的数值。此时，通过样品厚度、半径、温度梯度与通过样品的热流便可计算导热系数。 具体计算过程如下： 1、流过待测样品的热流
*A Q =d *(T -T
12
12
1
12
) 2Q
34
=
34
*A
d
*(T 3-T 4)
Q ：流过下热极的热流，W Q ：流过上热极的热流，W
34
λ
12
：下热极材料的热导，W/m·K
2
λ
3
34
：上热极材料的热导，W/m·K
4
T -T ：下热极两个热电偶的温差 T -T ：上热极两个热电偶的温差
1
A ：垂直于热流方向的热极截面积，m 2 d ：热极两温差电偶的距离，m
公式中
λ
12
＝
λ
34
＝ 18.5 W/m·K ；d = 0.05 m；热极直径为30mm
考虑到上热极（低温端）的热量损失较小，热流值更精确，因此用它表示流过待
测样品的热流，即：
Q =Q 34
=T 2-B ⨯(T 1-T 2)
2、与试样相接触的高测量块的温度
T
H
d
A
T T
H
：与试样相接触的高测量块的温度，K
1
：高测量块的较高温度，K ：高温传感器间距，m
T
B
2
：高测量块的较低温度，K
d
A
d
：低温传感器到测量块低温表面的距离，m
本实验中
d
B
=0. 04
A
3、与试样相接触的低测量块的温度
T =T +⨯(T -T )
d
D
C
3
3
4
C
T T
H
：与试样相接触的低测量块的温度，K
3
：低位测量块的高温，K ：低温传感器间距，m
T
D
4
：低位测量块的低温，K
d
C
d
：高温传感器到测量块高温表面的距离，m
本实验中
d
D
=0. 04
C
4、试样导热系数的计算
Q *d
λ=
A *(T H -T C )
A ：试样截面积，m 2 d ：试样厚度，m
四、实验内容和步骤
1、装样：在样品的两个面以及上下热极的端面涂覆导热硅脂，将样品放置在上下热极之间进行合轴装配，然后加压（如是软性试样则不需加压），并将从热极和样品间挤出的多余硅脂擦掉。装上反射屏。 2、设置恒温水槽温度，打开循环和加热开关。
3、打开主机电源开关，启动计算机，进入导热系数测试程序。 4、设置热极温度，启动加热。
5、输入试样截面积和高度数据，按自动测试键，仪器进入测试状态，测试完成后自动显示导热系数数据。如结果需要保存请按保存键。
6、重复上述1、5、步骤可反复测试试样。本实验中选取石英、陶瓷两种试样，利用导热系数测量仪测定它们的导热系数。
7、数据记录：需要记录的数据包括样品的直径、厚度；实验停止后的T 1、T 2、T 3、T 4。
五、数据记录和数据处理 1、简述实验原理、实验过程； 2、计算并比较两种材料的导热系数。 六、思考题
1、简述无机非金属材料热传导的微观机理。 2、固体材料中的传热机构包括哪些？