阅读说明：本技术 对称多线瞬态热带固体高导热系数测试装置 (Symmetrical multi-thread thermal transient band solid high thermal conductivity coefficient test device ) 是由 孙毅 时建捷 郭清华 于 2018-05-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及材料导热系数测试技术领域,尤其涉及高导热系数固体材料的导热系数和热扩散系数测量装置。本发明公开了一种对称多线瞬态热带加热膜大导热系数固体材料的导热系数和热扩散系数测量装置,包括,由多线构成的八个加热电阻构成的加热片、电源以及数据采集系统。解决了现有稳态导热系数测试技术测试时间过长,以及现有瞬态导热系数测试技术因为模型限制导致信噪比不高,在测试,尤其是高导热系数材料测试过程中重复性不好的问题。(The present invention relates to material thermal conductivity the field of test technology more particularly to the thermal coefficients and thermal diffusion coefficient measuring device of high thermal conductivity coefficient solid material.The invention discloses a kind of symmetrical thermal coefficient and thermal diffusion coefficient measuring device of the multi-thread thermal transient with the big thermal coefficient solid material of heating film, including, heating sheet, power supply and the data collection system being made of multi-thread eight constituted adding thermal resistance.It solves that the existing steady heat conduction coefficient measuring technology testing time is too long and existing transient heat conduct coefficient measuring technology is because model limitation causes signal-to-noise ratio not high, is testing, the bad problem of repeatability especially in high heat conductive material test process.)

对称多线瞬态热带固体高导热系数测试装置

技术领域

本发明涉及材料导热系数测试技术领域，尤其涉及高导热系数固体材料的导热系数和热扩散系数测量装置。

背景技术

作为物质的重要物理参数,材料导热系数和热扩散系数，在化工、材料、能源、动力和制冷工程等领域有着重要的用途，是许多工业流程和产品设计中必不可少的基础数据。随着现代工业的快速发展，固体材料的导热系数及热扩散系数的测量，日益受到人们的重视。

物质的导热系数及热扩散系数可以通过实验测量、理论推算或计算机模拟等方法来获得，但目前仍然以实验测量为主。根据导热系数的实验测量原理，其测量方法大致可以分为稳态法和非稳态法。

稳态法是指当试样上的温度分布稳定，即试样内的温度分布是不随时间变化的稳定的温度场，通过测定流过试样的热量和温度梯度等参数来确定试样的导热系数的方法。

稳态法的特点是实验原理简单，然而该稳态法需要准确的一维热流，通常需要附设热补偿装置；同时需要布置多个温度测点来获取均匀的温度分布；因此实验装置的电气控制和调节线路比较复杂；此外在准备所需要的测量工况和进行实验，都比较耗时且对环境要求比较苛刻，稳态法主要包括有保护平板法、热流计法、圆管法等。

非稳态法是指实验测量过程中试样温度随时间变化，通过测量试样内某些点的温度变化情况以及其他相关参数，从而确定试样的导热系数的方法；这种方法测量时间短，精确性较高，对环境要求低，但也由于受到测量方法本身的限制，多用于测量导热系数趋于常数的物质，主要有瞬态热线法、热带法、常功率热源法、激光闪烁法等。

瞬态热带法与瞬态热线法的测量原理非常类似，取两块尺寸相同的待测样品，在两者间夹入一条很薄的金属片，即为热带，在热带上施加恒定的加热功率，作为恒定热源，热带的温度变化可以通过测量热带上电阻的变化获得，也可以直接用热电偶测得。进一步可以获取热带上温度和时间的变化关系，根据其原理关系式就可以获得导热系数。这种方法使热带可以很好的与待测材料接触，同时，与比热线法相比能够更好的测量固体材料的导热系数，热线法主要用于测量气体或者液体材料导热系数方面有比较大的优势。

热带法测量导热系数所用的热带横截面尺寸为4×0.008mm²，其所选用的金属材料的电阻率为5×10^-3，待测材料的尺寸为80×50×15mm³。为了使待测材料和热带之间有很好的热接触，需要在它们接触面添加一些粘度比较低的油。

另外，近年出现原片型平面热源法，原理与瞬态热带法近似,差异在于把长宽比看成近似无限的热带转变成圆盘形的平面热源。

瞬态热带法及热线法以及平面热源法因为其测试过程信噪比低导致测试重复性差，在大导热系数方面这个问题尤其突出，只能通过多次测试来提高精度，但是这种提高精度的方法在大导热系数材料测试过程中精度的提高是按测量次数的平方根得到，因为材料导热系数越高，需要进行的测试次数也就越多，有可能多到用户难以忍受。

总之，目前本领域技术人员迫切需要发展出一种能够操作简单、且可以选用不同方式精确测量大导热系数固体材料的导热系数的仪器。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单、并能精确测量大导热系数固体材料的导热系数和热扩散系数的测量装置。

为达到上述目的，本发明公开了一种对称多线瞬态大导热系数固体材料的导热系数和热扩散系数的测量装置，包括，由多线构成的八个加热电阻构成的加热片；

电源，用于为该加热片中相对的两个节点提供恒定的能量；

数据采集系统，连接于所述加热片，并用于采集所述加热片中其它两个相对的节点的电压和温度变化，以及获得该待测材料的导热系数。

进一步地，构成8个电阻的每组热带线间距为0.1±0.05mm。

进一步地，构成8个电阻的每组热带线宽度为线间距的2倍以上。

进一步地，所述电源为恒流、恒压、或恒功率的电源。

为达到上述目的，本发明还公开了一种固态材料的导热系数和热扩散系数测量方法，包括：

将上述的加热片放置于两个待测材料中间；

记录待测材料种类和环境的湿度及温度；

加载恒流源、恒压源或恒功率源；

采集并处理数据，获得该待测材料的导热系数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

首先，本发明的测量装置能够在很短的时间内测量各种不同材料的导热系数，其测量 的导热系数的范围为10~400 W ▪▪，且所测量的导热系数的不确定度在5%以内，并 能够很好的测量热扩散系数；

其次，本发明利用恒压/恒流/恒功率源测量导热系数的原理是通过使用金属材料制备的加热丝组成的以惠斯通电桥的形式排布的加热片，当两个待测材料压紧该加热片时，通过测量该惠斯通电桥的中间两个相对的节点的电压和温度变化，依据本发明的测量原理得出待测材料的导热系数；该方法简单，易操作，且测量时的温度变化的范围-30⁰C—1000⁰C之内；

再者，在现有技术的瞬态热带法基础上，发展出对称瞬态热带法，把热带法中测量温度信号转换成测量电阻/电压信号，并由此得到的恒流源瞬态对称热带装置、恒压源瞬态对称热带装置和恒功率源瞬态对称热带装置，该装置能够很快而且高精度的测量大导热系数固体材料的导热系数，而且大大降低了制作成本。

附图说明

图1为本发明测量装置包括的加热片的结构图；

图2为本发明的图1中的局部E-E的放大示意图；

图3为本发明的图1中的局部F-F的放大示意图；

图4为本发明的加热片的等效电路示意图；

图5为本发明的测量装置的分解示意图；

图6为本发明的测量装置测量导热系数的实施例的测量曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的固体材料导热系数测量装置进一步说明。

导热系数是材料重要的热物理性质之一，材料的导热系数是表征热传导材料物性的重要参数，对其精确测量有着非常重要的理论和工程应用价值。由于导热系数随物质的成分和结构变化较多，用实验方法确定材料导热系数几乎成为研究物质导热系数的唯一途径。

导热系数是反映材料导热能力大小的物理量，也称为导热率，单位为。

本发明的核心构思在于利用热带法建立的测量固体材料导热系数的测量装置，即对称多线瞬态热带法，结合恒流源、恒压源或恒功率源对待测材料进行测量，采用本发明的加热片，建立了新的固体材料导热系数和热扩散系数的测量方法，该方法能够在很短的时间内测量金属材料的导热系数，其测量导热系数的范围为10~400，并且测量的不确定度在5%以内。

实施例

参考图1所示的本发明的加热片的结构图，图2和图3给出了图1中局部区域E-E和局部区域F-F的放大结构示意图以及在图中标定了加热丝的尺寸，图中单位为mm。

电源，用于为该加热片的相对的两个节点提供恒定的能量；其中，该电源可以是恒流源、恒压源、或恒功率源；

数据采集系统，用于采集所述加热片的上下表面附加的相同待测材料后的其它两个相对的节点的电压和温度变化，获取待测材料的导热系数。

在具体的实现过程中，每个构成热带的金属线间距为0.1mm，金属线宽最小为间距的2倍。

以下结合附图对恒流源测量装置的测量原理及相应的测量装置进行详细说明：

参考图1所示的本发明的加热片结构示意图，本实施例采用恒定电流的方式来给加热片提供能量，即在图4所示的惠斯通电桥的A和D点之间加载恒定电流，加载恒流源的导热系数的测量装置结构如图5所示，包括为加热片101提供能量的恒流源005、加热片101的上、下表面分别连接相同的待测材料004和待测材料002（本实施例中待测材料004和待测材料002是相同的）、用于采集加热片101的B、C两点的电压和温度变化的数据采集系统006；另外该数据采集系统还可以包括测量并记录电流变化的电测设备、测量并记录温度变化的测温设备。

使用恒流源测量装置进行测量时，第一步，把外面覆盖一层保护膜的加热片放置在两块长度大于或等于250mm、宽度大于或等于140mm、厚度大于或等于50mm的同种待测材料中；

第二步，在加热片相对的两个节点上加载恒流源，且该恒流源输出电流的误差为万分之五；

第三步，通过数据采集系统进行采集B和C点（如图4所示）的输出电压，该数据采集系统自动处理显示导热系数。

当在该加热片加上一个稳定的电流时，该加热片向待测材料传递一定的热量，通过测量该加热片的相对应的B和C点的电压和温度变化，输出相应的信号，进而通过数据采集系统采集该信号，并进行自动处理，测量结果及导热系数最终显示在程序界面上，获得待测材料的导热系数和热扩散系数；

该恒流源测量装置的测量原理如下面的公式推导：

如果在核心加热片两端加上恒定电流I，则B和C点之间的电压为为

(1)

当电流通过时，电阻会发热并且随在某一温度t下的电阻值R(t)可由参考温度(本文为0摄氏度)、相应阻值和电阻温度系数α如下：

R(t)=R ₀+α(t-t ₀ ) (2)

内部电阻和外部电阻分别处于相同的温度T ^I和T ^O，因此结合式(1)和(2)可以得到表达式如下：

= (3)

当忽略高阶项的影响，热带上的温度等效于

(t)= (4)

式中：H为拟合待定参数，为加热功率，L为热带的长度，为导热系数， = 0.5772156649….为欧拉常数，为时间常数，a为热扩散系数，D为热带的宽度，t为时 间。

如果在整个测量过程中，始终能够保持核心加热片的功率变化小于5‰，则导热系数的测量公式为：

λ= (5)

a=4 (6)

式中：m和n分别为输出电压和时间曲线的斜率和截距。

图6给出了某种金属材料的实验曲线，图中离散的点为实验数据，横坐标为时间的自然对数，纵坐标为输出电压，得到线性公式如下：

U= -0.172+0.0122ln(t) + (7)

从而得到：

m=0.0122; n=-0.172 (8)

代入式(5)，得到

λ=19 (9)

利用本方法测量其他材料导热系数的结果列于表1，其中为测量的导热系数值。

表1 不同材料导热系数测量值

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种固体高导热系数材料导热系数的测量装置以及固体材料导热系数的测量方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。