材料导热系数测试实验

东南大学材料科学与工程

实验报告

学生姓名张沐天班级学号 12013317 实验日期 2015.11.27 批改教师

课程名称材料性能测试实验批改日期

实验名称材料导热系数测试实验报告成绩

一、实验目的

1.掌握稳态法测定材料导热系数的方法

2.了解材料导热系数与温度的关系

二、实验原理

不同温度的物体具有不同的内能，同一个物体不同区域如果温度不等，则他们热运动的激烈程度不同，含有的内能也不相同。这些不同温度的物体或区域，在相互靠近或接触时，会以传热的形式交换能量。由于材料相邻部分之间的温差而发生的能量迁移称为热传导。在热能工程、制冷技术、工业炉设计等一系列技术领域中，材料的导热性都是一个重要的问题。

1.材料的导热性及电导率

材料的导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1K，在1s钟内，通过1m2面积传递的热量，单位为 W/(m·K)，也叫热导率。热导率λ由简化的傅里叶导热定律决定。

2.热传导的物理机制

热传导过程就是材料的能量传输过程。在固体中能量的载体可以有自由电子、声子和光子，因此固体的导热包括电子导热、声子导热和光子导热。

1）电子和声子导热

纯金属中主要为电子导热，在合金、半金属或半导体、绝缘体的变化过程中，声子导热所占比例逐渐增大。

2）光子导热

固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变会辐射出频率较高的电磁波，其中具有较强热效应的是波长在0.4-40pm间的可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热射线。热射线的传递过程称为热辐射。

3.影响导热系数的因素

1）温度

金属以电子导热为主，电子在运动过程中将受到热运动的原子和各种晶格缺陷的阻挡，从而形成对热量传输的阻力。

一般来说，纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低；而今导热系数一般随温度的升高而升高；玻璃体的导热系数则一般随温度的降低而减小。

2）原子结构

物质的电子结构对热传导有较大影响。具有一个价电子的，导电性能良好的、德拜温度较高的单质都具有较高的导热系数。

3）成分和晶体结构

合金中加入杂质元素将提高热阻，使导热系数降低。杂志原子与基体金属的结构差异较大的元素，对基体导热系数的影响也较大。

4）压强，密度，气孔率等

压强，密度，气孔率等因素也会对材料的导热系数产生影响，影响材料导热系数的因素是复杂的。

4.导热系数的测试方法

根据试样内温度场是否随时间改变可将固体的导热分为稳定导热和不稳定导热。测量导热系数的方法也分为两大类：稳态法和动态法。

1）稳态法

稳态法是根据傅立叶方程直接测量导热系数，但温度范围与导热系数范围较窄，主要适用于在中等温度下测量中低导热系数材料。稳态法可分为热流法（直接法、比较法）、保护热流法、热板法等测试方法。

2）动态法

动态法使用范围较为宽广，适合于高导热系数材料以及高温下的测试，其中发展最快、最具代表性、得到国际热物理学界普遍承认的方法是闪光法（ Flash Method，有时也称为激光法，激光闪射法），也是本次实验使用的方法。

闪光法的优点为要求的样品尺寸较小，测量范围宽广，可测量除绝热材料以外的绝大部分材料，特别适合于中高导热系数材料的测量。除常规的固体片状材料测试外，通过使用合适的夹具或样品容器并选用合适的热学计算模型，还可测量诸如液体、粉末、纤维、薄膜、熔融金属、基体上的涂层、多层复合材料、各向异性材料等特殊样品的热传导性能。

三、实验仪器与装置

1.NETZSCH LFA 467金属高温导热系数测试仪

2.保护气体

3.游标卡尺

4.NETZSCH激光导热仪样品支架

5.实验样品

四、实验步骤及测量数据

1.选择合适的样品支架，安装合适大小的试样

2.打开保护气体

3.开启计算机，启动计算机，进入导热系数测试程序

4.设置加热温度及其他参数，开始实验

5.试验结束后，自动得到导热系数测试结果

6.进行分析

五、实验数据与处理

1.PV塑料

2.紫铜

3.Q235钢

235

六、实验结果与讨论

1.简述金属、非金属建筑材料、气体导热性能差异大的原因。

答：金属主要是通过电子导热来传热，而非金属建筑材料大多为绝缘体，主要导热形式为声子导热，电子导热效率要远远优于声子导热，所以金属材料导热性能优于非金属建筑材料。气体的对流加快了热传递，其导热系数是非常高的；但是依旧不能和电子导热相提并论，所以金属的导热性能强于气体，但是无机非金属和气体导热性能大小无法确定，还需根据具体的材料进行分析

2.计算紫铜、Q235钢、塑料的热扩散系数

答：紫铜的热扩散系数为：134.514

塑料的热扩散系数为：0.251

Q235钢的热扩散系数为：18.272

3.分析温度对热扩散系数的影响

答：温度对各类绝热材料导热系数均有直接影响，温度提高，材料导热系数上升。因为温度升高时，材料固体分子的热运动增强，同时材料孔隙中空气的导热和孔壁间的辐射作用也有所增加。但这种影响，在温度为0-50℃范围内并不显著，只有对处于高温或负温下的材料，才要考虑温度的影响。金属以电子导热为主，电子在运动过程中将受到热运动的原子和各种晶格缺陷的阻挡，从而形成对热量传输的阻力。

一般来说，纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低；而今导热系数一般随温度的升高而升高；玻璃体的导热系数则一般随温度的降低而减小。

第二篇：稳态平板法测定材料导热系数

教学实验 2006

稳态平板法测定材料导热系数

（平板导热仪）

指导书

稳态平板法测定材料导热系数

实验指导书

一. 实验目的

1.巩固和深化稳定导热过程的基本理论，学习用平板法测定材料导热系数的实验方法和技能。

2.测定试验材料的导热系数。

3.确定试验材料导热系数与温度的关系。

二.实验原理

导热系数是表征材料导热能力的物理量。对于不同的材料，导热系数是不同的；对同一材料，导热系数还会随着温度、压力、湿度、物质的结构和重度等因素而变异。各种材料的导热系数都用试验方法来测定，如果要分别考虑因素的影响，就需要针对各种因素加以试验，往往不能只在一种试验设备上进行。稳态平板法是一种应用一维稳态导热过程的基本原理来测定材料导热系数的方法，可以用来进行导热系数的测定试验，测定材料的导热系数及其和温度的关系。

试验设备是根据在一维稳态情况下通过平板的导热量Q和平板两面的温差成正比，和平板的厚度δ成正比，以及和导热系数λ成正比的关系来设计的。

我们知道，通过薄壁平板（壁厚小于十分之一壁长和壁宽）的稳定导热

量为 [w]

测定时，如果将平板两面的温差、平板厚度、垂直热流方向的导热面积F和通过平板的热流量Q测定以后，就可以根据下式得出导热系数：

需要指出，上式所得的导热系数是在当时的平均温度下材料的导热系数值，此平均温度为：

在不同的温度和温差条件下测出相应的值，然后将值标在坐标图内，就可以得出的关系曲线。

三.实验装置及测量仪表

稳态平板法测定材料导热系数的试验装置如图1和图2所示。

被试验材料做成二块方形薄壁平板试件，面积为300×300，实际导热计算面积F为200×200，板的厚度为（实测），平板试件分别被夹紧在加热器的上、下热面和上、下水套的冷面之间。加热器的上下面和水套与试件的接触面都设有铜板，以使温度均匀。利用薄膜式加热片来实现对上、下试件热面的加热，而上下导热面积水套的冷却面是通过循环冷却水（或通过自来水）来实现的。在中间200×200部位上安设的加热器为主加热器。为了使主加热器的热量能够全部单向通过上下两个试件，并通过水套的冷水带走，在主加热器四周（即200×200之外的四侧）设有四个辅助加热器，测试时控制使主加热器以外的四周保持与中间主加热器的温度相一致，以免热流量向旁侧散失。主加热器的中心温度t₁(或t₂)和水套冷面的中心温度t₃(或t₄)用四个镍铬-康铜热电偶埋设在铜板上来测量：辅助加热器1和辅助加热器2的热面也分别设置两个辅助镍铬-康铜热电偶t₅和t₆（埋设在铜板的相应位置上）。其中辅助热电偶t₅(或t₆)接到温度巡检仪上，与主加热器中心的主热电偶t₁（或t₂）的温度相比较，通过跟踪调节使全部辅助加热器都跟踪与主加热器的温度相一致。而在试验进行时，可以通过热电偶t₁(或t₂)和热电偶t₃(或t₄)测量出一个试件的两个表面的中心温度。也可以再测量一个辅助热电偶的温度，以便与主热电偶的温度相比较，从而了解主、辅加热器的控制和跟踪情况。温度是利用万能信号输入8电巡检仪测量的，主加热器的电功率可以用直流稳压电源的电压表和电流表来测量。

Q=IU （W）

注：本试验台的外围应有保温材料，以免热量向周围散失过多；试件安装到位后关闭左右保温门。

电控柜价格很高，应引起注意。

配套的平板导热仪软件，该软件界面友好，可以在界面上直接显示各个热电偶的温度，热流功率，还可以直接计算出导热系数加以显示。

对于水冷箱，若是用自来水直接冷却，则可以直接接上自来水管，但是经加热后的水若是直接排入下水道，会造成很大的浪费。因此，建议在本平板导热仪的下部加一水箱，用以盛水，再配套加一小水泵。水泵从水箱取水，然后流经水冷箱，经加热后的水再回到水箱，此水箱不用保温，最好用铁制容器，散热性能好。

图1 试验台（平板导热仪）结构示意图

[附]试验台主要参数

1.试验材料：

2.试件外型尺寸：270×270

3.导热计算面积F：200×200（即主加热器的面积）

4.试件厚度δ：（实测）

5.主加热器电阻值：100 Ω

6.辅加热器（每个）电阻值： 4×25Ω

7.热电偶：E型

8.试件最高加热温度：≤80

9．.主加热器电压直流 0—50V，电流 0—2A （可调）

10．辅助加热器电压直流 0—50V，电流 0—2A （可调）

四.实验方法和步骤

1. 将两个平板试件仔细地安装在加热器的上下面，试件表面应与铜板严密接触，不应有空隙存在。在试件、加热器和水套等安装入位后，应在上面加压一定的重物，或用自动控制压紧装置压紧，以使它们都能紧密接触。

图2 试验台（平板导热仪）面板电路联结图

2.联接和仔细检查各接线电路。将主加热器的两根导线接到仪表箱的主加热器电源接线端子上：而两个辅助加热器是经两两并联后再串联组成的串联电路（实验台上已联接好），同样将辅助加热器的两根导线接到仪表箱的辅助加热器电源接线端子上。电压表和电流表（或电功率表）应按要求接入电路。

将测温热电偶t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、的导线接到配电箱对应的接线端子上。关闭主、辅加热电源开关及水泵开关；打开总电源开关。并检查各热电阻信号（温度）是否正常（基本一致）。

3. 打开水泵开关，检查冷却水水泵及其通路能否正常工作，调节水阀门开度应尽量一致。

4.接通主加热器电源，并调节到合适的电压（建议由低至高间隔5V或10V逐渐分段加热），开始加温，然后开启辅助加热电源使加温电压与主加热器电压接近，一段时间后，观察辅助加热面的温度是否与主加热面的温度一致，然后适当调整辅助加热器的电压（高则降低、低则增加）来跟踪调整使主、辅加热温度相一致。在加温过程中，可通过各测温点的测量值来控制和了解加热情况。开始时，可先不启动冷水泵，待试件的热面温度达到一定水平后，再启动水泵（或接通自来水），向上下水套通入冷却水。试验经过一段时间后，试件的热面温度和冷面温度开始趋于稳定。在这个过程中可以适当调节主加热器电源、辅助加热器电源的电压，使其更快或更利于达到稳定状态。待温度基本稳定后，就可以每隔一段时间进行一次电功率W（或电压V和电流I）读数记录和温度测量，从而得到稳定的测试结果。

5.一个工况试验后，可以将设备调到另一工况，既调节主加热器功率后，再按上述方法进行测试得到另一工况的稳定测试结果。调节的电功率不宜过大，一般在5~10W为宜。

6.根据实验要求，进行多次工况的测试。（工况以从低温到高温为宜）。

7.测试结束后，先切断加热器电源，经过10分钟左右再关闭水泵（或停放自来水）。

五.实验结果处理

实验数据取实验进入稳定状态后的连续三次稳定结果的平均值。导热量（即主加热器的电功率）：

Q=W（或I·V） [W]

W—主加热器的电功率值 [W]

I—主加热器的电流值 [A]

V—主加热器的电压值 [V]

由于设备为双试件型，导热量向上下两个试件（试件1和试件2）传导，所以

[W]