稳态法导热系数测定实验 一、实验目的 1、通过实验使学生加深对傅立叶导热定律的认识。 2、通过实验，掌握在稳定热流情况下利用稳态平板法测定材料导热系数的方法。 3、确定材料的导热系数与温度之间的依变关系。 4、学习用温差热电偶测量温度的方法。 5、学习热工仪表的使用方法 二、实验原理 平板式稳态导热仪的测量原理是基于一维无限大平板稳态传热模型，这种方法是把被测材料做成比较薄的圆板形或方板形，薄板的一个表面进行加热，另一个表面则进行冷却，建立起沿厚度方向的温差。 三、实验设备 实验设备如图2所示。 图2 平板式稳态法导热仪的总体结构图 1.调压器 2.铜板 3.主加热板 4.上均热片 5.中均热片 6.下均热片 7.热电偶 8.副加热板 9.数据采控系统10.温度仪表 11.试样装置12.循环水箱电位器13.保温材料14.电位器 键盘共有6个按键组成，包括为“5”、“1”、“0.1”3个数据键，“±”正负号转换键，“RST”复位键，“ON/OFF”开关键。 数据键：根据不同的功能对相应的数据进行加减，与后面的“±”正负号转换键和“shift”功能键配合使用。“±”正负号转换键：当“±”正负号转换键为“+”时，在原数据基础上加相应的数值；为“-”时，减相应的数值。“RST”复位键：复位数据，重新选择。 控制板上的四个发光二极管分别对应四路热电偶，发光二极管发光表示对应的热电偶接通。由一台调压器输出端采用并联方式提供两路输出电压，电位器对每路输出电压进行调整，作为两个加热板的输入电压。 四、实验内容 1、根据提供的实验设备仪器材料，搭建实验台，合理设计实验步骤。调整好电加热器的电压(调节调压器)，并测定相关的温度及电热器的电压等试验数据。 2、对测定的实验数据按照一定的方法测量进行数据处理，确定材料的导热系数与温度之间的依变关系公式。 3、对实验结果进行分析与讨论。 4、分析影响制导热仪测量精度的主要因素。 5、在以上分析结论的基础之上尽可能的提出实验台的改进方法。 五、实验步骤 1、利用游标卡尺测量试样的长、宽、厚度，测试样3个点的厚度，取其算术平均值，作为试样厚度和面积。 2、测量加热板的内部电阻。 3、校准热工温度仪表。 4、向水箱内注入冷却水。 5、通过调整电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率，通过4位“LED”显示主加热板和副加热板的温度，根据主加热板的温度，调整电位器改变施加在副加热板的电压，使副加热板的温度与主加热板的温度一致。利用数字电压表测量并记录主加热板电压。 6、在加热功率不变条件下, 试样下表面和循环水箱下表面的温度波动每5min不超过±1℃时，认为达到稳态。此时，记录主加热板温度、试样两面温差。
〖实验二十五〗 动态法测定良导体的热导率 实验时间2015年4月28日 报告时间2015年4月29日 1300011454 周二下午第2组3号 〖目的要求〗 1、测定良导体的热导率； 2、学习一种测定材料热导率的方法； 3、了解动态法测定良导体的特点和优越性； 4、认识热波，加强对波动理论的理解。 〖仪器用具〗 热导率动态测量仪，微机。
〖实验原理〗 1、热流方程 本实验采用非稳态法测定良导体的热导率。取棒状样品，假定热量仅沿一维传播。取一小段棒元，根据傅里叶导热定律，单位时间内在单位等温面上沿温度降低方向流过某垂直于传播方向的热流密度为： q T t t κ??=-?? 式中：κ为待测材料的热导率。由导热定律可推得热流方程： 22,T T t x c κααρ??==?? 式中：α称为热扩散率。 2、热波方程 热流方程的解将各点的温度随时间的变化表示出来，具体形式取决于边界条件，若令热端的温度围绕T 0按简谐规律变化，即： 0 sin m T T T t ω=+ 式中：T m 为热端的最高温度；ω为热端温度变化的角频率。 假设另一端无反射并保持恒定温度为T 0，则式热流方程的解也就是棒中各点的温度，即： 0 exp sin m T T kx T t ω??? =-+- ? ? ???
式中的T 0是直流成分；k 是线性成分的斜率。 从上式中可以看出： (1)当热端（x=0）温度按简谐方式变化时，这种变化将以衰减波的形式在棒内向冷端传播，称为热波，也就是温度波。 (2)热波波速 v =(3)热波波长 2λπ =因此在角频率。已知的情况下，只要测出波速或波长就可以计算出 α然后再由 c κ αρ= 计算出材料的热导率κ。由热波波速公式，可得： 222 424period c v v c T c f v κρρκρππω===? 式中：f ，T period 分别为热端温度按简谐变化的频率和周期。 从上述原理可知实现热导率测量的关键是: ①实现热量的一维传播； ②实现热端温度随时间按简谐形式变化的边界条件。 本实验采取的热波法，特点是当热量在样品中传播时，样品中各点的温度不像稳态法那样必须保持恒定，只要给定适当边界条件，可以做到样品上各点的温度均可随时间进行简谐变化，利用这种变化可以很容易测出热波波速，进而可计算出样品材料的热导率。
导热系数、传热系数、热阻值概念及热工计算方法 导热系数λ[W/(m.k)]： 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1度(K,℃),在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米?度(W/m?K,此处的K可用℃代替)。导热系数可通过保温材料的检测报告中获得或通过热阻计算。 传热系数K [W/(㎡?K)]： 传热系数以往称总传热系数。国家现行标准规范统一定名为传热系数。传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度(K，℃)，1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/平方米?度(W/㎡?K，此处K可用℃代替)。传热系数可通过保温材料的检测报告中获得。 热阻值R(m.k/w)： 热阻指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值。单位为开尔文每瓦特（K/W）或摄氏度每瓦特（℃/W）。 传热阻： 传热阻以往称总热阻，现统一定名为传热阻。传热阻R0是传热系数K的倒数，即R0=1/K，单位是平方米*度/瓦（㎡*K/W）围护结构的传热系数K值愈小，或传热阻R0值愈大，保温性能愈好。 （节能）热工计算： 1、围护结构热阻的计算 单层结构热阻：R=δ/λ 式中：δ—材料层厚度(m)；λ—材料导热系数[W/(m.k)] 多层结构热阻： R=R1+R2+----Rn=δ1/λ1+δ2/λ2+----+δn/λn 式中: R1、R2、---Rn—各层材料热阻(m.k/w) δ1、δ2、---δn—各层材料厚度(m) λ1、λ2、---λn—各层材料导热系数[W/(m.k)] 2、围护结构的传热阻 R0=Ri+R+Re 式中: Ri —内表面换热阻(m.k/w)(一般取0.11) Re —外表面换热阻(m.k/w)(一般取0.04) R —围护结构热阻(m.k/w) 3、围护结构传热系数计算 K=1/ R0 式中: R0—围护结构传热阻 外墙受周边热桥影响条件下，其平均传热系数的计算 Km=(KpFp+Kb1Fb1+Kb2Fb2+ Kb3Fb3 )/( Fp + Fb1+Fb2+Fb3) 式中:Km—外墙的平均传热系数[W/(m.k)] Kp—外墙主体部位传热系数[W/(m.k)]
热阻及热导率测试方法 范围 本方法规定了导热材料热阻和热导率的测试方法。本方法适用于金属基覆铜板热 阻和导热绝缘材料热阻和热导率的测试。 术语和符号 术语 热触热阻 contact resistance 是测试中冷热两平面与试样表面相接触的界面产生热流量所需的温差。接触热阻 的符号为R I 面积热流量areic heat flow rate 指热流量除以面积。 符号 下列符号适用于本方法。 λ：热导率，W/（m﹒K）； A：试样的面积，m 2 ； H：试样的厚度，m； Q：热流量，W 或者 J/s； q：单位面积热流量，W/ m 2 ； R：热阻，（K﹒m 2 ）/W。 原理 本方法是基于测试两平行等温界面中间厚度均匀试样的理想热传导。 试样两接触界面间的温 度差施加不同温度，使得试样上下两面形成温度梯度，促使热流量全部垂直穿过试样测试表 面而没有侧面的热扩散。 使用两个标准测量块时本方法所需的测试： T1＝高温测量块的高温，K； T2＝高温测量块的低温，K； T3＝低温测量块的高温，K； T4＝低温测量块的低温，K； A＝测试试样的面积，m 2 ； H＝试样的厚度，m。 基于理想测试模型需计算以下参数： T H：高温等温面的温度，K； T C：低温等温面的温度，K； Q：两个等温面间的热流量 热阻：两等温界面间的温差除以通过它们的热流量，单位为（K﹒m 2 ）/W； 热导率：从试样热阻与厚度的关系图中计算得到，单位为W/(m.K)。
接触热阻存在于试样表面与测试面之间。 接触热阻随着试样表面特性和测试表面施加给试样 的压力的不同而显著变化。因此，对于固体材料在测量时需保持一定的压力，并宜对压力进 行测量和记录。热阻的计算包含了试样的热阻和接触热阻两部分。 试样的热导率可以通过扣除接触热阻精确计算得到。 即测试不同厚度试样的热阻，用热阻相 对于厚度作图，所得直线段斜率的倒数为该试样的热导率，在厚度为零的截取值为两个接触 界面的接触热阻。如果接触热阻相对于试样的热阻非常小时（通常小于1％），试样的热导率 可以通过试样的热阻和厚度计算得出。 通过采用导热油脂或者导热膏涂抹在坚硬的测试材料表面来减小接触热阻。 仪器 符合本测试方法的一般特点要求的仪器见图A.1和图A.2。 该套仪器增加测厚度及压力监测等 功能，加强了测试条件的要求来满足测试精度需要。 仪器测试表面粗糙度不大于0.5μm；测试表面平行度不大于5μm。 精度为1μm归零厚度测试仪（测微计、LVDT、激光探测器等）。 压力监测系统。 图A.1 使用卡路里测量块测试架 图A.2 加热器保护的测量架 热源可采用电加热器或是温控流体循环器。主热源部分必需采用有保护罩进行保护， 保护罩 与热源绝缘，与加热器保持±0.2K的温差。避免热流量通过试样时产生热量损失。无论使用 哪一种热源，通过试样的热流量可以用测量块测得。 热流量测量块由测量的温度范围内已知其热导率的高热导率材料组成。为准确测量热流量， 必须考虑热传导的温度灵敏度。推荐测量块材料的热导率大于50 W/(m.K)。 通过推算测量块温度与测试表面的线性关系（Fourier传热方程），确定测量块的热端和冷端 的表面温度。 冷却单元通常是用温度可控的循环流体冷却的金属块，其温度稳定度为±0.2 K。 试样的接触压力通过测试夹具垂直施加在试样的表面上，并保持表面的平行性和对位。
实验十四 稳态法测量不良导体的导热系数 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。 测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；当适当控制实验条件和实验参数使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响，与导热系数的大小有关。 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数，学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。 【实验原理】 1898年C.H.Lees 首先使用平板法测量不良导体的导热系数，这是一种稳态法，实验中，样品制成平板状，其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。 设稳态时，样品的上下平面温度分别为1θ、2θ，根据傅立叶传导方程，在时间内通过样品的热量满足下式： t ΔQ ΔS h t Q B 21 θθλ?=ΔΔ (1) 式中λ为样品的导热系数，为样品的厚度，为样品的平面面积，实验中样品为圆盘状，设圆盘样品的直径为,则由（1）式得： B h S B d
电压法LED结温及热阻测试原理分析 发布日期：2010-08-01 来源： 关键字： 近年来,由于功率型LED 光效提高和价格下降使LED 应用于照明领域数量迅猛增长,从各种景观照明、户外照明到普通家庭照明,应用日益广泛。LED 应用于照明除了节能外,长寿命也是其十分重要的优势。目前由于LED 热性能原因,LED 及其灯具不能达到理想的使用寿命;LED 在工作状态时的结温直接关系到其寿命和光效;热阻则直接影响LED 在同等使用条件下 LED 的结温;LED 灯具的导热系统设计是否合理也直接影响灯具的寿命。因此功率型 LED 及其灯具的热性能测试 ,对于 LED 的生产和应用研发都有十分直接的意义。以下将简述LED 及其灯具的主要热性能指标,电压温度系数K、结温和热阻的测试原理、测试设备、测试内容和测试方法,以供LED 研发、生产和应用企业参考。 一、电压法测量 LED 结温的原理 LED 热性能的测试首先要测试 LED 的结温,即工作状态下 LED 的芯片的温度。关于LED 芯片温度的测试,理论上有多种方法,如红外光谱法、波长分析法和电压法等等。目前实际使用的是电压法。1995 年 12 月电子工业联合会/电子工程设计发展联合会议发布的> 标准对于电压法测量半导体结温的原理、方法和要求等都作了详细规范。 电压法测量LED 结温的主要思想是：特定电流下 LED 的正向压降 Vf 与 LED 芯片的温度成线性关系,所以只要测试到两个以上温度点的Vf 值,就可以确定该 LED 电压与温度的关系斜率,即电压温度系数 K 值,单位是 mV/°C 。K 值可由公式K=ㄓVf/ㄓTj 求得。K 值有了,就可以通过测量实时的 Vf 值,计算出芯片的温度(结温)Tj 。为了减小电压测量带来的误差,> 标准规定测量系数 K 时,两个温度点温差应该大于等于50 度。对于用电压法测量结温的仪器有几个基本的要求：A、电压法测量结温的基础是特定的测试电流下的 Vf 测量,而 LED 芯片由于温度变化带来的电压变化是毫伏级的,所以要求测试仪器对电压测量的稳定度必须足够高,连续测量的波动幅度应小于 1mV 。 B、这个测试电流必须足够小,以免在测试过程中引起芯片温度变化;但是太小时会引起电压测量不稳定,有些LED 存在匝流体效应会影响 Vf 测试的稳定性,所以要求测试电流不小于 IV 曲线的拐点位置的电流值。
准稳态法测量比热和导热系数 【实验目的】 1.了解利用准稳态方法测量物质的比热和导热系数的原理； 2.学习热电偶测量温度的原理和使用方法。 【实验背景】 本实验内容属于热物理学的内容，热传递的三种基本方式包括热传导，热对流和热辐射，而衡量物质热传导特性的重要参数是物质的比热和导热系数。以往对于比热和导热系数的测量大都使用稳态法，但是该方法要求温度和热流量均要稳定，因而要求实验条件较为严格，从而导致了该方法测量的重复性，稳定性及一致性差，误差大。该实验采用一种新的测量方法，即准稳态方法，实验过程中只要求被加热物质的温差恒定和温升速率恒定，而不必通过长时间的加热达到稳态，就可以通过简单的计算得到该物质的比热和导热系数。 比热定义为单位质量的某种物质，在温度升高或降低1度时所吸收或放出的热量，叫做这种物质的比热，单位为J/(kg·K)，它表征了物质吸热或者放热的本领。导热系数定义为单位温度梯度下，单位时间内由单位面积传递的热量，单位为W/(m·K)，即瓦/(米·开)，它表征了物体导热能力的大小。 了解物质的热力学特性有很多应用，如了解土壤或岩石的热力学特性有助于人们了解该地区的大气环境特征。了解混凝土制品的比热和导热系数有助于人们了解材料的保温特性，开发更好保温或隔热材料。了解玻璃建筑材料的比热和导热系数，有助于人们研究和开发更加保温以及安全的玻璃制品。交通方面，由于道路结构处于不断变化的温度环境中，了解沥青或沥青混合料的热力学特性参数，能够使人们精确的模拟道路结构温度场，了解不同状况下道路材料对于各种交通工具的影响。了解橡胶的热力学特性参数，有助于人们开发出更加安全的交通道路和轮胎材料。 【实验仪器】 1. ZKY-BRDR型准稳态法比热、导热系数测定仪； 2. 实验样品包括橡胶和有机玻璃各一套，(每套四块），加热板两块，热电偶两只，导 线若干，保温杯一个。 1. 准稳态法测量原理 考虑如图1所示的一维无限大导热模型：一无限大 不良导体平板厚度为2R，初始温度为t0，现在平板两侧 同时施加均匀的指向中心面的热流密度q c，则平板各处 的温度t(x,τ)将随加热时间τ而变化。 以试样中心为坐标原点，上述模型的数学描述可表 达如下： 图1理想的无限大不良导体平板
西安交通大学 大学物理仿真实验报告 姓名：李宗阳 班级：能动28 学号：2120301210
实验名称：良导体热导率的动态法测量 一．实验目的 1．通过实验学会一种测量热导率的方法。 2．解动态法的特点和优越性。 3．认识热波，加强对拨动理论的理解。 二．实验原理 实验采用热波法测量铜、铝等良导体的热导率。简化问题，令热量沿一维传播，周边隔热,如图1所示。根据热传导定律，单位时间内流过某垂直于传播方向上面积A 的热量，即热流为 x T KA t q ??-=?? （1） 其中K 为待测材料的热导率，A 为截面积， 文中x T ??是温度对坐标x 的梯度,负号表示热量流动方向与温度变化方向相反．dt 时间 内通过面积A 流入的热量 dxdt x T KA dt t q t q dq dx x x 22??=?? ??????? ????-??? ????=+ 图1 棒 元 若没有其他热量来源或损耗，据能量守恒定律，dt 时间内流入面积A 的热量等 于温度升高需要的热量dt t T Adx c dq ?? ? ????=ρ，其中C ，ρ分别为材料的比热容与密度。所以任一时刻棒元热平衡方程为
dx x T K t T dx C 22??=??ρ （2） 由此可得热流方程 22x T D t T ??=?? （3） 其中ρC K D =，称为热扩散系数． 式（3）的解将把各点的温度随时间的变化表示出来，具体形式取决于边界条件，若令热端的温度按简谐变化，即 t T T T m ωsin 0+= （4） 其中T m 是热端最高温度，为热端温度变化的角频率。另一端用冷水冷却， 保持恒定低温o T ，则式（3）的解也就是棒中各点的温度为 )sin(202x t e T x T T D x m D ωωαω-?+-=- （5） 其中T 0是直流成分，α是线性成分的斜率，从式（5）中可以看出： 1) 热端(x=0)处温度按简谐方式变化时，这种变化将以衰减波的形式在棒内向冷端传播，称为热波． 2) 热波波速：ωD V 2= （6） 3) 热波波长：ωπλD 22= （7） 因此在热端温度变化的角频率已知的情况下，只要测出波速或波长就可以计算出 D ．然后再由ρ C K D =计算出材料的热导率K ．本实验采用.式（6）可得 ωρC K V 22= 则T C V f C V K πρπρ4422== （8） 其中，f 、T 分别为热端温度按简谐变化的频率和周期．实现上述测量的关键是： 1) 热量在样品中一维传播．2) 热端温度按简谐变化．
分立器件热阻测试方法 一、瞬态热阻 瞬态热阻是指器件在脉冲工作状态下的热阻。脉冲作用下的瞬态热阻定义为最大结温升与耗散功率脉冲幅值之比。对功率晶体管通常以壳温作为温度参考点,其表达式为： θjC = ΔTj / PH = ( Tj - TC) / PH (1) 其中Tj为芯片结温；TC为壳温； PH 为施加的脉冲功率。瞬态热阻测量归结为对脉冲功耗PH、壳温TC及结温Tj的测量。显然，双极晶体管的结温Tj无法进行直接测量。为此，电学法利用发射结的正向压降VBE 与结温Tj 在相当宽的范围内(0～200 ℃)呈线性关系，通过对VBE 的测量间接地测量结温Tj。关系式为: ΔVBE (Tj) = M×ΔTj =VBE (Ta)-VBE(Tj) (2) 式中 M 为温敏系数，是与温度T 基本无关的负常数；VBE ( Ta )，VBE (Tj) 分别为加脉冲功率前、后的温敏参数值。由(1) 和(2) 式得到瞬态热阻与温敏参数ΔVBE关系表达式: θjC =ΔVBE (Tj)/PH (3) 公式(3) 为电学法测量瞬态热阻的基本原理：在一定条件下，器件从结到外壳的热阻θjC 和ΔVBE 成正比关系。图1 所示为单脉冲测量双极晶体管瞬态热阻时序。图中tH 为加热功率持续时间； tms 为温敏参数的测试时间；td 为加热脉冲切断后测量VBE ( Tj )的延迟时间。
图1 单脉冲测量瞬态热阻时序 二、晶体管热阻的测试电路原理 根据瞬态热阻测试原理，图2所示为国标和军标中关于分立器件热阻的测试电路原理图。每次测试的大致情况是：(1) 首先，开关S1和S2置于2，用于加热前被测器件DUT温敏参数（源漏SD之间）的电压VSD测量; (2) 然后，开关S1和S2置于1，对被测器件施加功率（功率设置为VDS×ID）；(3)最后，断开功率（开关S1 和S2断开1置于2）后，在很短的延迟后，快速对温敏参数VSD进行测量。
热波法测热导率 实验仪器：（注明规格和型号） 本实验使用RB-1型热导率动态测量仪，包括主机、控制单元、记录单元三大部分。 1. 主机：棒状样品及热电偶阵列，脉动热源，冷却装置 2. 控制单元 3. 记录系统 实验目的： 1. 学习一种测量热导率的方法 2. 了解动态法测量热导率的特点和优点 3. 认识热波，加强对波动理论的认识
实验原理简述： 1. 导热微分方程的建立 热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换过程 为使问题简化, 假设样品为棒状, 热量沿一维传播; 在棒上取微元 x→x+dx, 如图中所示. 根据Fourrier导热定律, 单位时间内流过某垂 直于热流方向, 面积为A的热量, 即热流为: 其中q为热流, 表示等温面上沿温度降低方向单位时间内传递的热 量; K为热导率, 表示单位时间内在单位长度上温度降低1K时, 单位 面积上通过的热量; 而在Δt时间内通过截面A流入小体积元dV=Adx的热量为： ，而小体积元升高温度ΔT所需要的热量为： 在无外界条件变化的情况下，以上两式应当相等，联立以上两 式，可以得到： ，并可以由此推知热流方程： 其中D=K/cρ为热扩散率。 该热流方程的解将给出材料上各点温度随时间的变化，解的具 体形式还将取决于边界条件
2. 方程求解 若使热端的温度围绕T0作简谐变化：T=T0+Tm*sinωt，而另一端无反射并且保持恒定温度T0，则可以得到原微分方程的解为并且由上式可以得到热波的波长，热波在棒中的传播速度为因而，在被测样品棒热端温度的周期变化角频率ω已知的情况下，只要测出热波的波速或波长，就可以计算出热扩散率D，进而计算出热导率K。
稳态法测量材料的导热系数 2015-04-02 导热系数是表征材料导热能力大小的量。导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料的两侧温度相差1°C时，在单位时间内，通过1m2所传导的热量。 材料结构的变化与含杂质等因素都会对导热系数产生明显的影响。由于导热性能有许多种测量方法，事先必须考虑到材料导热系数的大致范围和样品特征，以及使用温度的大致范围，以选用正确的测量方法。本文介绍了导热系数测量的基本理论与定义，热流法、保护平板法测量导热系数的原理与应用。 稳态测试方法主要适用于测量中低导热系数材料。稳态法就是当待测试样上温度分布达到稳定后，通过测量试样内的温度分布和穿过试样的热流来测出导热系数。稳态法通常要求试样质地均匀、干燥、平直、表面光滑。稳态法测导热系数的基本原理图及公式为： λ=Qd/A△T；单位:W/(m?K) 注意：稳态条件下；材料应为单一均质的干燥材料。 Q:热流稳定后，通过试样的热流量（w）； d:试样厚度(m)； A:试样面积(m)； :温度差(℃)。
热流计法 热流计法是一种基于一维稳态导热原理的比较法。将样品插入两个平板间，在其垂直方向通入一个恒定的单向的热流，使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板与样品之间和样品接触。热流法适用于低导热材料，测试时将样品夹在两个热流传感器中间测试，在达到温度梯度稳定期后，测量样品的厚度、上下板间的温度梯度及通过样品的热流便可计算得到导热系数的绝对值。适合测试导热系数范围为0.001~50W/m?K的材料如导热胶、玻璃、陶瓷、金属、铝基板等低导热材料。 护热平板法 护热板法导热仪的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似，保护热板法的测量原理如下图所示。热源位于同一材料的两块样品中间。热板周围的保护加热器与样品的放置方式确保从热板到辅助加热器的热流是线性的、一维的。当试样上、下两面处于不同的稳定温度下，测量通过试样有效传热面积的热流及试样上、下表面的温度及厚度，应用傅立叶导热方程计算Tm温度时的导热系数。 导热系数λ=Qd/A（（t2-t1）+（t4-t3）） Q:热流稳定后，通过试样的热流量； d:试样厚度； A:试样面积； t2-t1/t4-t3:温度差。 该法误差较小且可用于测定低温导热系数材料（0.02-2.0W/m?K）如塑料、纤维、陶瓷基板、氧化铝瓷、空心玻璃、各种保温材料等匀质板状材料。试样应是均质的硬质材料，两表面应平整光滑且平行。在用该法对不良导体的导热系数测定时，不宜采用厚度较小的不良导体平板作为实验样品。
常用材料的导热系数表
材料的导热率 傅力叶方程式： Q=KA△T/d, R=A△T/Q Q: 热量，W；K: 导热率，W/mk；A：接触面积；d: 热量传递距离；△T：温度差；R: 热阻值 导热率K是材料本身的固有性能参数，用于描述材料的导热能力。这个特性跟材料本身的大小、形状、厚度都是没有关系的，只是跟材料本身的成分有关系。所以同类材料的导热率都是一样的，并不会因为厚度不一样而变化。 将上面两个公式合并，可以得到 K=d/R。因为K值是不变的，可以看得出热阻R值，同材料厚度d是成正比的。也就说材料越厚，热阻越大。 但如果仔细看一些导热材料的资料，会发现很多导热材料的热阻值R，同厚度d并不是完全成正比关系。这是因为导热材料大都不是单一成分组成，相应会有非线性变化。厚度增加，热阻值一定会增大，但不一定是完全成正比的线性关系，可能是更陡的曲线关系。 根据R=A△T/Q这个公式，理论上来讲就能测试并计算出一个材料的热阻值R。但是这个公式只是一个最基本的理想化的公式，他设定的条件是：接触面是完全光滑和平整的，所有热量全部通过热传导的方式经过材料，并达到另一端。 实际这是不可能的条件。所以测试并计算出来的热阻值并不完全是材料本身的热阻值，应该是材料本身的热阻值+所谓接触面热阻值。因为接触面的平整度、光滑或者粗糙、以及安装紧固的压力大小不同，就会产生不同的接触面热阻值，也会得出不同的总热阻值。 所以国际上流行会认可设定一种标准的测试方法和条件，就是在资料上经常会看到的ASTM D5470。这个测试方法会说明进行热阻测试时候，选用多大的接触面积A，多大的热量值Q，以及施加到接触面的压力数值。大家都使用同样的方法来测试不同的材料，而得出的结果，才有相比较的意义。 通过测试得出的热阻R值，并不完全是真实的热阻值。物理科学就是这样，很多参数是无法真正的量化的，只是一个“模糊”的数学概念。通过这样的“模糊”数据，人们可以将一些数据量化，而用于实际应用。此处所说的“模糊” 是数学术语，“模糊”表示最为接近真实的近似。 而同样道理，根据热阻值以及厚度，再计算出来的导热率K值，也并不完全是真正的导热率值。 傅力叶方程式，是一个完全理想化的公式。我们可用来理解导热材料的原理。但实际应用、热阻计算是复杂的数学模型，会有很多的修正公式，来完善所有的环节可能出现的问题。 总之： a. 同样的材料，导热率是一个不变的数值，热阻值是会随厚度发生变化的。 b. 同样的材料，厚度越大，可简单理解为热量通过材料传递出去要走的路程越多，所耗的时间也越多，效能也越差。 c. 对于导热材料，选用合适的导热率、厚度是对性能有很大关系的。选择导热率很高的材料，但是厚度很大，也是 性能不够好的。最理想的选择是：导热率高、厚度薄，完美的接触压力保证最好的界面接触。 d、使用什么导热材料给客户，理论上来讲是很困难的一件事情。很难真正的通过一些简单的数据，来准确计算出选 用何种材料合适。更多的是靠测试和对比，还有经验。测试能达到产品要求的理想效果，就是最为合适的材料。 e、不专业的用户，会关注材料的导热率；专业的用户，会关注材料的热阻值。
五、数据处理 1、在内容三所测数据中，选取稳态温度附近10组数据，用逐差法计算散热盘C在稳态T2附近的冷却速率Vc。 根据选取稳态温度附近10组数据 由逐差法计算有Vc={(44.7-42.2)+(44.3-41.6)+(44.1-41.2)+(43.3-40.8)+(42.6-40.5)}/(5*2.5)=1.048℃/min=0.0175℃/s 2、计算出待测样品B的导热系数λ: λ=｛mch B（R c+2h c）/2πR b2 (T1-T2)(R c+h c)｝*(△T/△t) B R c=(9.960+9.958+9.980+9.956+9.942)/(2*5)=4.9796cm=4.9796*10^-2m hc=(0.984+0.986+0.982+0.986+0.982)/5=0.984cm=9.84*10^-3m R b=(9.966+9.950+9.948+9.958+9.956)/(2*5)=4.9778cm=4.9778*10^-2m T1=53.1℃T2=42.3℃ △T/△t=Vc=0.0175℃/s λ={0.669*385*8.332*10^-3*(4.9796*10^-2+2*9.84*10^-3)/2*3.14*(4.9778*10^-2)2*(53.1-42.3) ( 4.9796*10^-2+9.84*10^-3)}*0.0175=0.261 W/m*K 3、求出环氧盘λ的不确定度，给出结果表达式。（只考虑冷却速率误差） 由于比较复杂，过程见实验报告纸。 可得结果为Uλ=0.036 W/m*K∴λ=0.261±0.036 W/m*K 4、分析误差原因。 测量盘的直径与厚度时由于是人为读数，有读数误差，再有环境误差，盘的质量可能由于多次实验有磨损存在误差等等。 5、所有测量数据都要列表。
常用导热系数单位之间的换算关系 下表为常用导热系数单位换算表。 上表中，关于几种温度单位： 开氏温度(K )：国际单位制基本单位。绝对零度℃为0开氏度。 摄氏温度(℃)：一个大气压下，规定水的冰点为0℃，沸点为100℃。 华氏温度(℉)：一个大气压下，规定水的冰点为32℉，沸点为212℉。 温度单位之间的换算关系为： 摄氏度与开氏度：K＝℃－ 摄氏度与华氏度：℉=(9/5)*℃＋32 摄氏度与华氏度：K＝5/9(℉＋ 1 根据预制直埋保温管规范推算 2 根据埋深和聚氨酯和玻璃钢的承重计算 已知保温材料导热系数外墙保温厚度怎么计算 首先明确你用的外墙要达到什么标准，是50节能、还是65节能标准。以65%节能为例，传热系数Km≤ W/（）。其倒数即为符合墙体传热阻，再减去内外墙传热阻以及基墙传热阻就可以得到你用的外墙的热阻，再根据公式R = δ/λ（热阻=材料厚度/导热系数），即可算出你所需要的厚度。 隔热保温层厚度计算
2009-05-25 13:37:15|分类：个人日记 |标签： |字号大中小订阅 聚氨酯泡沫塑料作为隔热保温材料已广泛用于建筑、冷库、油管、保温管道等。 正确地确定隔热层厚度将大大地节省原料，降低材料费用。 绝热工程包括保温和保冷两方面的内容。 经济厚度计算方法是一种最广泛使用的方法。 把绝热材料的投资和热冷损失的费用综合考虑后得出一种经济厚度，此时保温与保冷费用和热损失费用之和为最小。 一般控制绝热层表面单位面积的热损失不大于规定值。 在实际计算中，保温层表面温度ts如何确定与各方面都有关系。 从能耗考虑，ts与大气温度t0越接近越好，但是，相应的其投资费用也越大。 反之，则能源又随投资费用的减少而大幅度的增加。 因此，保温保冷层表面温度应分别高于大气温度和露点温度。 同时，式中a1的值（外部传热系数）对保温的场合往往直接取10，对保冷取7。 例1，某冷库，库内最低温度为-20℃，夏季平均气温为30℃，湿度为85%，采用聚氨酯泡沫作绝热材料，其厚度应为多少 已知tf=-20℃ta=30℃λ=Kcal/m·h·℃a1=7Kcal/m2·h·℃ ts的求法： ts为绝热层表面露点温度，查阅饱和蒸汽压表得： 30℃时的饱和蒸汽压为柱 ×=
稳态法测量不良导体的热导率 热导率(又称导热系数)是反映材料热传导性能的重要物理量。材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构.热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移。在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。因此，某种材料的热导率不仅与材料的物质种类密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系.在科学实验和工程设计中，所用材料的热导率都需要用实验的方法精确测定. 【实验目的】 (1)掌握用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的热导率； (2)掌握用作图的方法求冷却速率； (3)学习温度传感器的应用方法； 【实验仪器】 FD-TC-B型导热系数测定仪（如图1所示它由电加热器、铜加热盘C，橡皮样品圆盘B，铜散热盘P、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成）、分度值0.02mm游标卡尺、量程3000g,分度值为0.1g电子天平、量程30cm，分度值为1mm钢板尺、秒表等. 图1 FD-TC-B 导热系数测定仪装置图 【实验原理】 1898年C.H.Lees首先使用平板法测量不良导体的热导率，这是一种稳态法，实验中，样品制成平板状，其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。
设稳态时，样品的上下平面温度分别为1T 、2T ，根据傅立叶传导方程，在t ?时间内通过样品的热量Q ?满足下式： S h T T t Q B 21-=??λ (1) 式中λ为样品的导热系数，B h 为样品的厚度，S 为样品的平面面积，实验中样品为圆盘状，设圆盘样品的半径为B R ，则由（1）式得： 2 21B B R h T T t Q πλ-=?? (2) 实验装置如图1所示，固定于底座的三个支架上，支撑着一个铜散热盘P ，散热盘P 可以 借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘样品B ，样品B 上放置一个圆盘状加热盘C ，其面积也与样品B 的面积相同，加热盘C 是由单片机控制的自适应电加热，可以设定加热盘的温度。 当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度1T 和2T 不变，这时可以认为加热盘C 通过样品传递的热量与散热盘P 向周围环境散出的热量相等。因此可以通过散热盘P 在稳定温度2T 时的散热速率来求出样品的传热速率 t Q ??。 实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度1T 和2T 后，将样品B 抽去，让加热盘C 与散热盘P 接触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的2T 值C 5后，移开加热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，记录散热盘温度T 随时间t 的下降情况，用作图的方法求出散热盘在2T 时的冷却速率 2 T T t T =??，则散热盘P 在2T 时的散热速率为： 2 T T t T mc t Q =??=??散 (3) 其中m 为散热盘P 的质量，c 为其比热容。 在达到稳态的过程中，P 盘的上表面并未暴露在空气中，而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比，为此，稳态时铜盘P 的散热速率的表达式应作面积修正： ) 22() 2(2 2 2 P P P P P p T T h R R h R R t T m c t Q ππππ++??=??=散 稳态时样品B 的传热速率等于散热盘P 的散热速率，即：
119 实验二十五 动态法良导热体热导率的测量 物体热导率的稳态测量方法很多，动态法测量在国际上也很普遍，方法有多种。本实验采用的动态法测热导率，其特点是当热量在样品中传播时，给定适当边界条件，做到样品上各点温度均可随时间作简谐变化，而不需象稳态法那样必须保持恒定。利用这种简谐变化便可计算出样品材料的热导率。传热过程中产生的温度波也称热波其特性与机械波、电磁波一样。我们即可用波动理论进行分析研究，这种方法称为热波法。将难于测量的热学量转变为各点温度波形的相位差测量，从而可显著降低测量误差。 【实验目的】 1、认识热波、加深对波动理论的理解。 2、了解动态法的特点和优越性。 3、学习一种测量热导率的方法。 【实验原理】 设热量沿一维方向传播，若对于棒状样品，将其周边隔热， 取一小段样品进行分析如图1。根据热传导定律，单位时间内流过某垂直于传播方向面积A 的热量，即热流为 dx dT KA Q -= （1） 其中K 为待测材料的热导率，dx dT 是温度对坐标x 的梯度．将(1)式两边对坐标取微分有 dx dx T d KA dQ 22-= 根据能量守恒定律，任一时刻棒元的热平衡方程为 dx dx T d KA dQ dt dT Adx C 22-==ρ （2） 其中C ，ρ 分别为材料的比热容与密度，由此可得热流方程 22dx T d D dt dT = （3） 其中ρ C K D = ， 称为热扩散系数。 式（3）的解将把各点的温度随时间的变化表示出来，具体形式取决于边界条件，若令热端的温度按简谐变化，即 t T T T m ωsin 0+= (4) 图1 棒元
导热系数和热阻的实际应用 夏俊峰 2015.08.05 第3版 前言 本文第1版最早于2007年7月发布在中国光学光电子行业论坛上，之后在2009年8月修改为第2版。本次做了全面的修改，增加了模拟计算的内容，以说明如何来正确认识热阻概念。并通过简单介绍模拟软件中有关接触热阻的设置问题，让读者更好地认识导热系数和热阻的实际应用。需要说明的是，本文是讨论仅在热传导方面，所有概念的定义也是针对热传导而言的。并且本文主要是针对LED 应用方面来谈的。 第一章 有关理论知识介绍 要讲导热系数和热阻的问题，首先要搞清楚这两个概念的定义。而要明确定义，必须要先介绍导热的基本理论。 在传热学中，关于热传导的基本理论就是傅里叶定律。对于一维热传导，傅里叶定律表述为：单位时间内通过厚度为L 的热量Q 与厚度两边的温度变化率ΔT 及平板面积A 成正比，即: L ΔT λA t Q -= ——（1） 式中：λ是材料的导热系数。负号表示热量自温度高向温度低方向传递。 对于上述导热定律，读者必须清楚，公式（1）仅是针对一维、热流密度均匀、测温的平面上温度均匀相等的情况。也就是说，引起ΔT 的因素是通过面积A 的热量Q。如果热源有部分热量没有经过面积A，则不能计算在内。 单位时间内传导的热量，就是热功率，用P 表示，单位是：瓦（W）。 由公式（1）可以得知： 导热系数λ是指在稳定传热条件下，单位时间内通过物体单位距离、单位截面积的平行面、产生1度温差的热量。其单位为：瓦/（米·度）。 导热系数和温度有关。具体相关参数要查阅相关物料手册。 对公式（1）做个变换，可以得到： A L T - P λ?= ——（2） 令： A λL R =θ ——（3） 公式（2）就可以简化为： θ R T P ?= ——（4）
织物热阻的测量方法 热阻的物理意义是试样两面温差与垂直通过试样单位面积的热流量之比,这与电流通过导体的电阻相类似。热阻值越大代表织物的保暖性好。除了热阻之外,织物的传热指标还有导热系数和传热系数。与导热系数相比,热阻的测量受织物厚度的影响比较小。而且织物热阻的测量使得织物的热阻值可以参与热环境的热损耗等计算,因为热阻串联后其总热阻等于各部分热阻之和,若干热阻并联后的总热阻的倒数等于各部分热阻倒数之和。 一、热阻主要测量标准： 热阻的测量标准有很多:GB/T18398一2001,FZ/T01029一1993,GB/T24254一2009,GB/T11048一2008,15015831,ASTMF1291等等。根据中华人民共和国国家标准,服装热阻的测试方法—暖体假人法,其标准是GB/T18398一2001。此标准规定了测试服装热阻用的暖体假人系统的基本技术要求和暖体假人测定服装热阻的方法。 二、热阻现有测量方法： 1.管式织物保温仪法： 依据国标GB11048一89方法B,纺织品的热阻也可以使用管式织物保温仪来测定〔29〕。测试的时候将试样包覆在试样架上,盖上外罩,待加温管升温一段时间后定时降温散热。测试的过程采用了计算机控制和数据处理,测定后就能直接得出保温率、传热系数等各项指标。 有些保暖试验仪还有低温箱,这是为了模拟冬天寒冷的天气,低温箱的温度可以控制在一30℃左右,恒温箱的温度可达40℃,这个温度差能是热量迅速透过织物。要计算织物热传递性的指标首先要测量恒温箱保持一定温度是消耗的热量。 2.平板式织物保温仪法： 用平板仪来测量织物的热阻是国标GB11048一89的方法A所规定的方法。平板式保温仪由试验板,保护板,底板,有机玻璃罩,温度传感器和可开启的门组成一个恒定温差的环境。温度恒定在36℃,用隔热材料与周围环境隔离开来,用相同的隔离材料隔离开试验板和保护板,试验台三板之间没有温差,以通断电的方式保持恒温,保证热量只能向上传递而不会逆向传递。温度传感器是用来测定机箱的温度,一般维持标准大气温度即20℃左右。实验时将试样放置在试验板上,测试单位时间内维持试验板恒定温度所需的外界补充的热量。此热量也就是通过织物散失出去的热量,再由此计算出织物试样的保温率、传热系数和热阻。平板式保温仪如下图所示：其中热阻的计算公式如下: R=d/k 式中:R—热阻; d—材料厚度(m);
稳态法测量不良导体的导热系数 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。 测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；当适当控制实验条件和实验参数使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响，与导热系数的大小有关。 【实验目的】 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数，学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。 【实验原理】 1898年C.H.Lees 首先使用平板法测量不良导体的导热系数，这是一种稳态法，实验中，样品制成平板状，其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。 设稳态时，样品的上下平面温度分别为1θ、2θ，根据傅立叶传导方程，在t ?时间内通过样品的热量Q ?满足下式： S h t Q B 21θθλ-=?? (1) 式中λ为样品的导热系数，B h 为样品的厚度，S 为样品的平面面积，实验中样品为圆盘状，设圆盘样品的直径为B d ，则由（1）式得： 2214B B d h t Q πθθλ-=?? (2) 实验装置如图1所示，固定于底座的三个支架上，支撑着一个铜散热盘P ，散热盘P 可以 借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘样品B ，样品B 上放置一个圆盘状加热盘C ，其面积也与样品B 的面积相同，加热盘C 是由单片机控制的自适应电加热，可以设定加热盘的温度。 当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度1θ和2θ不变，这时可以认为加热盘C 通过样品传递的热流量与散热盘P 向周围环境散热量相等。因此可以通过散热盘P 在稳定温度2θ时的散热速率来求出热流量 t Q ??。 实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度1θ和2θ后，将样品B 抽去，让加热盘C 与