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

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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

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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600V。

（4）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）。

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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。

（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‘

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样品中的一组进行处理得表2

（3）由t1/2 及λ、ρ、c、L计算λ

本实验取大理石的厚度为0.294cm，取酚醛胶布板的厚度为0.301cm带入公式（★）计算得到表3，以便比较

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散热修正

原始数据

数据拟合

图4 酚醛胶布板原始数据、数据拟合、散热修正比较

2、数据分析

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（1）由表2知大理石的两组实验的原始数据中的数据比较接近，每组中的原始数据和散热修正结果得到的t1/2比较接近而与数据拟合结果相差较多，两组数据均表现为原始数据最小， 数据拟合结果最大，两者的差值较大，并且两组数据的拟合结果相同。酚醛胶布板原始数据、数据拟合及散热修正间所得t1/2呈递增关系

（2）由表3知原始数据得到的热导率值较大，散热修正次之，拟合之后的最小。酚醛胶布板原始数据、数据拟合及散热修正间所得热导率均有一定偏差，且呈递减关系，但应在精确度范围内。

（3）大理石和酚醛胶布板的散热修正与原始数据的差异关系应与仪器有关，由于本实验使用了两台仪器，故显示的关系不太一致；大理石和酚醛胶布板热导率差一个量级

7 实验误差分析

1、仪器本身的精密度;

2、外部环境的干扰;

3、实验组次少

4、计算中的传递误差;由于本次试验组次少，故没有进行不确定度的计算，且大理石的厚度并不是一个确值

5、测温温度传感器热噪声的影响

6、实验过程中的热量损失

7、所选曲线并不能很好的体现材料的热扩散率，因为曲线尾部并不呈抛线状而是呈一定的平滑状，虽然所选的两组数据是所有组次中效果最好的，但对最值的读取还是有一定的影响

8、实验过程中不能很好的把握样品和氙灯电源的距离对实验结果的影响，所以得到的曲线干扰较多

8 参考文献

[1]大学物理综合设计实验，中国海洋大学物理实验教学中心

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第二篇：闪光法测定不良导体热导率实验

［教学目的］：

1．测定不良导体热导率。

2．了解一种测定材料热导率的方法。

3．进一步了解热物性参数的物理含义及测量中的基本问题。

4．学习正确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。 ［教学内容］：

（其中q为热流密度矢量，λ 为热导率，1．依据付利叶导热定率： q=?λgradT，

T为温度），以及非稳态导热微分方程可得：热扩散率α=1.38L2

由公式 ａ=λρc 进而有热导率： λ=1.38?ρ?c?L2 闪光法测定不良导体热导率实验 π2t1/2 ， π2t1/2，ρ：样品密度，C：样品比热容，L：为样品厚度。

2．了解实验系统和装置各部分特点以及应如何保证实验条件。

3．在大理石、胶木扳、磁砖三个样品中，选两个进行测量，每个样品测三条曲线。

4．测量待测样品的温升曲线及样品密度，取经散热修正后的t1/2计算出样品的热导率

λ，单位：w/m.k 。

： ［教学难点］

1．详细了解实验方法和思路，合理安排实验时间。

2．正确使用仪器，检查线路连接及样品安装状态，换样品时注意保护氙灯。

3．两次测量间最好间隔10分钟，注意观察本底噪声。

4．正确读取起始温度值、温升最大值及样品的长、宽、厚、质量。

［教学要求］：

1．依据上述要求分别测量样品原始温升曲线及经散热修正后的温升曲线中的t1/2。

2．正确测量样品密度，长、宽、厚各测3次，质量只需测1次，对同一样品的不同

厚度采取加权平均，并分别计算样品长、宽、厚各量的不确定度。

3．将散热修正后的t1/2及样品密度值等代入公式求出两个样品热导率λ。

4．对每一个样品选一条原始温升曲线，在达到最大温升后的曲线下降部分读取若干

点，利用最小二乘法计算散热常数，并与计算机程序的计算结果比较。

［问题讨论］：

1. 热导率的物理含义，比热的物理含义

2. 用本方法测λ时，从物理原理上要满足那些条件？实验中又如何保证？（从实验装置的

设计到实验测定等环节去考虑）；

3. 测温的P-N结温度传感器为什么选得这样小，从物理原理上是怎样考虑的？

4. 实验测量中，光具架上样品的佳位置应该如何调节？氙灯的最付佳位置又应在何处 5. t1/2的物理意义，在测热导率的物理含义和比热的物理含义各是什麽?

6. 定t1/2时，根据实际的实验曲线你考虑t0应如何确定？

7. 对实验曲线为什么必须做散热修正？请考虑如何修正并写出进行散热修正的具体做法

和公式。

8. 在脉冲光启动的一瞬间, 测量者从温升曲线上会看到在其起始部分出现一个小峰或谷，

试考虑原因.