闪光法测不良导体热导率

实验九 不良导体导热系数的测量导热系数(热导率)是反映材料热性能的物理量，导热是热交换三种（导热、对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题之一，要认识导热的本质和特征，需了解粒子物理而目前对导热机理的理解大多数来自固体物理的实验。

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，材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且与它的微观结构、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导热系数都需要用实验的方法测定。

（粗略的估计，可从热学参数手册或教科书的数据和图表中查寻）1882年法国科学家J•傅里叶奠定了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律基础之上，从测量方法来说，可分为两大类：稳态法和动态法，本实验采用的是稳态平板法测量材料的导热系数。

【实验目的】1．了解热传导现象的物理过程2．学习用稳态平板法测量材料的导热系数 3．学习用作图法求冷却速率4．掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法 【实验仪器】YBF-3导热系数测试仪、冰点补偿装置、测试样品（硬铝、硅橡胶、胶木板）、塞尺等 【实验原理】为了测定材料的导热系数，首先从热导率的定义和它的物理意义入手。

热传导定律指出：如果热量是沿着z 方向传导，那么在z 轴上任一位置0z 处取一个垂直截面积ds ，以dT dz 表示在z 处的温度梯度，以dQ dt表示在该处的传热速率（单位时间内通过截面积ds 的热量），那么传导定律可表示成： 0()z dTdQ ds dt dz λ=-⋅ （9-1） 式中的负号表示热量从高温区向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相反）。

（9-1）式中比例系数λ即为导热系数，可见热导率的物理意义：在温度梯度为一个单位的情况下，单位时间内垂直通过单位面积截面的热量。

非良导体热导率的测量【实验目的】了解热传导现象的物理过程，学习用稳态平板法测量非良导体的导热系数并用作图法冷却速率。

导热系数（又称热导率）是反映材料热性能的重要物理量，热传导是热交换的三种（热传导，对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题，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已晶格振动起主导作用。

在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。

【实验仪器】热导率测量实验装置、YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪1．热导率测量的实验装置如图1所示图１图２【实验原理】1882年法国科学家傅立叶建立了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅立叶热传导定律的基础之上。

测量的方法可以分为两大类：稳态法和瞬态法，本实验采用的是稳态平板法测量不良导体的导热系数。

当物体内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传递到低温处，这种现象被称为热传导。

傅立叶指出，在dt 时间内通过ds 面积的热量dQ ，正比于物体内的温度梯度，起比例系数是导热系数，即：ds dxdTdt dQ λ-= （1） 式中dtdQ 为传热速率，dx dT是与面积ds 相垂直的方向上的温度梯度，“—”号表示热量从高温区域传向低温区域，λ是导热系数，表示物体导热能力的大小，在SI 中λ的单位是w 11--⨯⨯K m 。

对于各向异性材料，各个方向的导热系数是不同的（常用张量来表示）。

如图3所示，设样品为一平板，则维持上下平面有稳定的21T T 和（侧面近似绝热），即稳态时通过样品的传热速率为dt dQ = λB BS h 21T T - （2） 式中B h 为样品厚度，B S =2B R π为上表面的面积，（21T T -）为上、下表面的温度差，λ为导热系数。

实验九 不良导体导热系数的测量导热系数(热导率)是反映材料热性能的物理量，导热是热交换三种（导热、对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题之一，要认识导热的本质和特征，需了解粒子物理而目前对导热机理的理解大多数来自固体物理的实验。

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，材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且与它的微观结构、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导热系数都需要用实验的方法测定。

（粗略的估计，可从热学参数手册或教科书的数据和图表中查寻）1882年法国科学家J•傅里叶奠定了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律基础之上，从测量方法来说，可分为两大类：稳态法和动态法，本实验采用的是稳态平板法测量材料的导热系数。

【实验目的】1．了解热传导现象的物理过程2．学习用稳态平板法测量材料的导热系数 3．学习用作图法求冷却速率4．掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法 【实验仪器】YBF-3导热系数测试仪、冰点补偿装置、测试样品（硬铝、硅橡胶、胶木板）、塞尺等 【实验原理】为了测定材料的导热系数，首先从热导率的定义和它的物理意义入手。

热传导定律指出：如果热量是沿着z 方向传导，那么在z 轴上任一位置0z 处取一个垂直截面积ds ，以dT dz 表示在z 处的温度梯度，以dQ dt表示在该处的传热速率（单位时间内通过截面积ds 的热量），那么传导定律可表示成： 0()z dTdQ ds dt dz λ=-⋅ （9-1） 式中的负号表示热量从高温区向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相反）。

（9-1）式中比例系数λ即为导热系数，可见热导率的物理意义：在温度梯度为一个单位的情况下，单位时间内垂直通过单位面积截面的热量。

闪光法测热导率一、实验目的1.测量不良导体的热导率。

2.了解一种测定材料热物性能参数的方法。

3.了解热物性参数测量中的基本问题。

4.学习正确使用高压脉冲光源和光路调节技术以及用计算机控制实验和采集、处理数据。

二、实验仪器闪光法热导仪三、实验原理1.傅里叶导热定理和热导率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:xT KA t q ∂∂⋅-=∂∂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：t dx xTKA q ∆⋅⋅∂∂⋅=∆22t tTAdx c q ∆⋅∂∂⋅⋅=∆ρ'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： 22x T K t T c ∂∂⋅=∂∂ρ022=∂∂⋅-∂∂xT D t T 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.闪光法闪光法是给一个四周绝热、厚度为L 的薄圆片试样加一脉冲的电流加热热流，在另一方面测出的温度随时间的变化关系，确定热扩散率，从而计算出材料热导率的一种测量方法。

原理图如右所示:假设有一束能量为的脉冲光在Q 时照射在试样表面，且并试样均0=t 匀吸收，可以认为在距离表面的微小距离内试样升温为l ⎩⎨⎧<<=<<⋅⋅=)(0)0,()0(/)0,(L x l x T l x l c Q x T ρ并且， 如果以上式为边界条件的话，得到在试样背面处温度可以表示为⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+=∑∞=1222)exp()1(21),(n nDt L n cL Q t L T πρ且当时，达到最大，有，∞→t ),(t L T cl Q T M ρ=若定义：， ，则可以得到：MT t L T t L V ),(),(=22/L Dt πω=∑∞=-∙-+=12)exp()1(21n n n V ω作图如右所示：令，求得，对应的时间记为，可得热扩散率2/1=V 38.1=ω2/1t )/(38.12/122t L D π=从而有热导率)/(38.12/122t cL K πρ=四、实验内容1.认识和调节测量系统a)识测量系统：先不动手，认真仔细观察测量系统的每个部分韩博伦1200017630b)调节光学系统：实验室已组装好光路的光学系统。

山东大学学生物理实验报告实验项目：不良导体导热系数测量方法及仪器完成人：韩益洪学号：201300181051学院：电气工程学院前言本文介绍了导热系数测量的基本理论与定义，热线法、激光法、动态测量法等几类测量方法的原理与应用，以及德国耐驰公司（NETZSCH）的相关仪器。

在某些应用场合，了解材料的导热系数，是测量其热物理性质的关键。

例如，耐火材料常被用作炉子的衬套，因为它们既能耐高温，又具有良好的绝热特性，可以减少生产中的能量损耗。

航天飞机常使用陶瓷瓦作挡热板。

陶瓷瓦能承受航天飞机回到地球大气层时产生的高温，有效防止航天器内部关键部件的损坏。

在现代化的燃气涡轮电站，涡轮的叶片上的陶瓷涂层（如稳定氧化锆）能保护金属基材不受腐蚀，降低基材上的热应力。

有效的散热器能保护集成电路板与其它电子设备不受高温损坏，散热材料已经成为微电子工业领域关键材料。

在过去的几十年里，已经发展了大量的导热测试方法与系统。

然而，没有任何一种方法能够适合于所有的应用领域，反之对于特定的应用场合，并非所有方法都能适用。

要得到准确的测量值，必须基于材料的导热系数范围与样品特征，选择正确的测试方法。

1.热线法测量不良导体导热系数用热线法测量不良导体导热系数是一种广泛使用的方法，国家对此制定了标准——“非金属固体材料导热系数的测定——热线法”（GB/T 10297-1998）。

基本原理如图1所示，在匀质均温的物体内部放置一电阻丝，即热线，对其以恒定功率加热时，热线及其附近试样的温度将随时间变化。

根据时间与温度的变化关系，可以确定该试样的导热系数。

[1] [原理简述]由热传导理论[2]可知，恒定功率的热线对匀质物体进行热传导时，可以用一维柱坐标系的热传导方程对物体的温度场进行描述：（1）边界条件为：根据热传导方程和边界条件得到：其中各物理量含义为，t：热线的加热时间，单位为s；r：距热线的距离，单位为m；q：热线单位长度的加热功率，单位为W/m；：加热时间t，距离热线距离r处的温升，单位为K；α：试样的热扩散率，单位为m2/s；λ：试样的导热系数，单位为W/（m·K），对于非金属固体材料，该系数一般小于2 W/（m·K）。

激光闪射法导热系数测试范围全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：激光闪烁法是一种常用的测试材料导热系数的方法，通过激光器发射激光脉冲，照射在被测材料表面，并观察材料表面的温度变化，从而计算出材料的导热系数。

这种方法简单易行，且测试结果准确可靠，因此被广泛应用于材料研究和工程实践中。

激光闪烁法导热系数测试范围是指在实际测试中可以测量的材料导热系数的范围。

在实际应用中，导热系数是一个非常重要的材料性能参数，它直接影响着材料的导热性能和传热特性。

准确测量材料的导热系数对于材料的研究和应用具有重要意义。

根据激光闪烁法的原理和测试要求，理论上可以测试的导热系数范围非常广泛。

一般来说，激光闪烁法可以测量导热系数在0.1~1000 W/(m·K)范围内的材料。

这个范围涵盖了大多数工程材料的导热系数，包括金属、陶瓷、塑料、复合材料等。

激光闪烁法在材料导热系数测试中具有非常广泛的适用性。

在实际测试中，根据被测材料的具体特性和研究目的，可以选择不同的测试范围来进行导热系数测试。

对于导热系数较小的材料，可以采用较高功率和时间分辨率的激光器来进行测试，以确保测试结果的准确性。

对于导热系数较大的材料，可以采用较低功率和时间分辨率的激光器来进行测试，以避免材料表面过热的情况发生。

除了导热系数范围外，激光闪烁法导热系数测试还受到一些其他因素的影响，如材料的表面粗糙度、热辐射系数、液体冷却剂的影响等。

在进行导热系数测试时，需要综合考虑这些因素，并对测试条件进行合理的优化，以确保测试结果的准确性和可靠性。

激光闪烁法导热系数测试范围广泛，适用性强，是一种非常有效的测试方法。

通过合理的测试设计和技术手段，可以准确测量不同材料的导热系数，为材料研究和工程应用提供重要的参考数据。

随着科学技术的不断发展和进步，激光闪烁法导热系数测试将在未来更加广泛地应用于各种领域，为材料科学和工程技术的发展做出贡献。

第二篇示例：激光闪射法是一种常用的测试导热系数的方法，其原理是通过激光在样品表面瞬间照射，然后测量样品表面的温度变化来计算出导热系数。

实验名称：闪光法测定不良导体的导热率物理学院李佳明1400011418 周五下午10组08号目的要求1. 了解测定热物性参数——热导率的意义。

2. 了解热学实验中测定材料热导率的原理和方法。

3. 了解实验中是怎样实现, 闪光法测定不良导体热导率的条件的。

4. 通过实验研究, 分析两类误差的来源, 给出实验结果的不确定度估计。

仪器用具酚醛胶布板样品，瓷砖样品，闪光法导热仪，50分度游标卡尺，螺旋测微器，电子天平（量程2100g, 最小分度值10mg）。

实验原理1.Fourie热传导定律在温度梯度不太大时, 近似有线性的Fourier热传导定律：(1)其中q 是热流密度, 表示等温面单位面积上, 沿温度降低方向, 在单位时间内通过的热量; λ 是热导率, 表示单位时间内, 在每单位长度上温度降低1 K时, 单位面积上通过的热量。

热导率单位为W/(m · K)。

利用(1) 式, 可得到热流方程是热扩散率, c是质量比热, ρ是密度。

2.热导率的测量方法材料的导热率测量, 主要有稳态法和非稳态法两类方法。

稳态法利用(1) 式, 在被测材料达到稳态后测量q和∇T , 可直接求出λ。

非稳态法利用(2) 式, 先确定热扩散率α, 再利用(3), 求得热导率λ. 而c 和ρ 需要另行测量。

3.一维热传导问题考虑一个一维热传导问题. 设温度场为T (x, t) 0 < x < L. 开始时材料处于平衡态，t = 0时对材料一端均匀传入热量Q, 且加热时间充分短, 则可写出初值条件：假设过程是绝热的，则有第二类边界条件：由(2)(4)(5) 式, 解得：在x=L初，有：数据求解V=1/2，ω=1.38，对应时间记为t1/2，可得热扩散率：热导率：4.实验条件和散热修正为了使得热传导问题近似是一维的, 样品面积要远大于厚度, 忽略侧面散热；加热光还要均匀. 为了满足热传导方程, 样品要均匀各向同性。