导热系数测试技术

本科学生毕业论文（设计）题目良导体导热系数的测定学院物理与电子信息学院专业 2012 物理学学生姓名王雪佳学号 120801035指导教师金伟职称副教授论文字数 5470完成日期 2016 年 4 月 1 日论文题目良导体导热系数的测定学生姓名、学院：王雪佳、物理与电子信息学院中文摘要随着导热系数在工程技术方面的用途越来越广泛，物体的导热系数通常需要经过实验测试确定，本实验是采用稳态平板法测定物体的导热系数。

介绍了一种测量良导体导热系数的方法，该方法克服了热电偶测温方法的不足，采用数字温度传感器测温和控温技术测量，使实验误差减少，而实验操作变得更直观、方便。

关键词：稳态法；导热系数；散热速率；良导体英文题目Determination of the thermal conductivity of good conductor学生姓名、学院：Wang Xuejia The College of Physical and Electronic Information英文摘要As the coefficient of thermal conductivity USES more and more widely in engineering technology, the coefficient of thermal conductivity of objects usually need to be determined through experimental tests, this experiment is to use the steady-state plate method for determining the coefficient of thermal conductivity of the object. Introduces a kind of good conductor coefficient of thermal conductivity measurement, the method overcome the deficiency of the thermocouple temperature measurement method, using digital temperature sensor temperature test measured temperature control technology, reduce experiment error, and the experimental operation becomes more intuitive and convenient.英文关键词Steady-state method;Thermal Conductivity;Cooling rate;Good conductor目录引言---------------------------------------------------- 3 1实验装置和实验原理------------------------------------- 3 1.1 实验装置---------------------------------------------- 31.2 实验原理---------------------------------------------- 42 实验内容---------------------------------------------- 53.数据记录及处理---------------------------------------- 64.测量误差的主要来源及测量结果的影响要素-----------------75 注意事项----------------------------------------------13 6结论----------------------------------------------参考文献-------------------------------------------------13良导体导热系数的测定王雪佳，物理与电子信息学院摘要：随着导热系数在工程技术方面的用途越来越广泛，物体的导热系数通常需要经过实验测试确定，本实验是采用稳态平板法测定物体的导热系数。

导热系数测量在某些应用场合，了解陶瓷材料的导热系数，是测量其热物理性质的关键。

陶瓷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。

作为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，陶瓷已经成为微电子工业领域关键材料。

若要在和热相关的领域使用陶瓷材料，则要求精确测量它们的热物理性能。

在过去的几十年里，已经发展了大量的新的测试方法与系统，然而对于一定的应用场合来说并非所有方法都能适用。

要得到精确的测量值，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。

基本理论与定义热量传递的三种基本方式是：对流，辐射与传导。

对流是流体与气体的主要传热方式，对固态与多孔材料传热不起重要作用。

对于半透明与透明陶瓷材料，尤其在高温情况下，必须考虑辐射传热。

除了材料的光学性质外，边界状况亦能影响传热。

关于辐射传热方式的详细介绍见文献一(1)。

对于陶瓷材料而言传导是最重要的传热方式。

热量的传导基于材料的导热性能——其传导热量的能力(2)。

厚度为x 的无限延伸平板热传导可用Fourier 方程进行描述（一维热传递）：Q = -λ·△T／△xQ 代表单位表面积在厚度(△x)上由温度梯度(△T)产生的热流量。

两个因子都与导热系数（λ）相关联。

在温度梯度与几何形状固定(稳态)的情况下，导热系数代表了需要多少能量才能维持该温度梯度。

在对建筑材料（如砖）与绝热材料进行表征时，经常用到k 因子。

k 因子与材料的导热系数和厚度有关。

k –value = λ/ d这一因子并不能用来鉴别材料，而是决定最终产品厚度的决定因素。

现代电子元件与陶瓷散热器上通常发生的是动态（瞬时）过程。

hotdisk导热系数仪的原理Hotdisk导热系数仪是一种用于测量材料导热性能的仪器。

它可以测量固体、液体和散在的颗粒材料的导热系数。

本文将详细介绍Hotdisk导热系数仪的原理、结构和测量方法。

一、原理Hotdisk导热系数仪基于热板法原理，是一种非接触式的测量方法。

热板法是一种基于Fourier传热定律测量材料导热系数的方法，即通过在材料上施加一定的热流，在不同位置测量温度差，从而计算出导热系数。

Hotdisk导热系数仪是将两个热板分别运用于被测物体的两个表面，使其建立热交换系统，通过固定一个热板的温度，测量另一个热板的温度，从而计算出物质的导热系数。

Hotdisk导热系数仪采用了较高的测量频率，可以测量材料在不同温度下的导热系数，它还能够测量非均匀材料的导热系数。

二、结构Hotdisk导热系数仪主要由控制器、数据采集器和探头三部分组成，探头主要由两个热板组成。

探头是Hotdisk导热系数仪的核心部件。

探头安装两个热板，根据斯特凡-玻尔兹曼定律，两个热板的比温差等于它们之间的热流密度的倍数，即可以通过测量热板之间的温差来计算出材料的导热系数。

热板通常由金属或者聚合物材料制成，工作面上镀有一个导热薄膜，用于实现较高的温度均匀性和精度。

控制器是Hotdisk导热系数仪的运转中心。

它包含一个微处理器，负责控制和监控探头的温度和测量，并能够输出测量结果。

控制器还配备了一个触摸屏显示器，用于灵活的数据录入、参数设置以及测量结果分析。

数据采集器是Hotdisk导热系数仪的数据处理器，它将控制器输出的数据进行存储、计算和分析，然后将测量结果输出到计算机或热印机。

三、测量方法测量前的准备在进行热导率测试前，需要将样板与被试材料平整地粘合在一起，以扫描激光理论精度重复性可达±0.1μm的准直仪测量。

将已经装备好的探头放在被试样上，然后校准温度和热流量设定值。

温度和热流量校准校准温度读数非常关键，热板表面的温度可以由Hotdisk导热系数仪给出，控制器必须能够精准的测量温度，控制器能够测量两个热板表面和热传感器2.消暑板之间的空气温度。

FD-TC-B导热系数测定仪说明书上海复旦天欣科教仪器有限公司中国上海- 1 -FD-TC-B 导热系数测定仪一、概述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对导热系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具体测定。

测量导热系数的方法一般分为两类：一类是稳态法；一类是动态法。

在稳态法中，先利用热源在待测样品内部形成一个稳定的温度分布，然后进行测量。

在动态法中，待测样品温度分布是随时间变化的。

本实验仪是用稳态法测不良导体导热系数的实验仪器，FD-TC-B 型是FD-TC-II 型改进型，加热盘原手工操作改为单片机自适应控制测温传感器，读数显示为摄氏度，精度是0.1C ，散热盘测温传感器由另一单片机控制，读数精度也为0.1C 。

该仪器结构牢固、测控方便，已广泛应用于大专院校普通物理热学实验。

二、用途(1) 测量不良导体的导热系数，本仪器附有橡皮样品供教学测试用。

(2) 学习用物体散热速率求热传导速率的实验方法。

(3) 学习温度传感器的应用方法。

三、仪器组成与技术指标1．仪器组成（如图1所示）(1) 热源：电热管、加热铜板;(2) 样品架：样品支架、样品板;(3) 测温部分：单片电脑测温及控制仪。

(4）橡皮样品、导热硅脂（配件）2．技术指标A.温控仪与测温仪(1)温度计显示工作温度：0℃－100℃C(2)恒温控制温度：室温－80o图1 FD-TC-B 导热系数测定仪装臵图(3)控制恒温显示分辨率：0.1℃B.温度传感器DS18B20的结构与技术特性（控温及测量用）：(1)温度测量范围：-55℃— +125℃(2)测温分辨率：0.0625℃(3)引脚排列(如图2所示)：图2(4)封装形式：TO-92详细应用软硬件请参阅相关资料C.不良导体导热系数测量不确定度：%10- 2 -- 3 -四、安装步骤(1) 取下固定螺丝，将样品放在加热盘与散热盘中间，然后固定；调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好，不宜过紧或过松；(2) 插好加热板的电源插头；再将2根连接线的一端与机壳相连，另一端的传感器分别插在加热盘和散热盘小孔中（注意：要一一对应，不可互换） ；(3) 开启电源后，左边表头显示从FDHC →当时温度→b = =〃 =其含义是告知用户请设定控制温度。

土壤导热系数的现场测定北京工业大学刘立芳王瑞华张亚庭丁良士摘要土壤热物性是地下埋管换热器设计的重要参数，它的大小对钻孔深度与个数的有着显著的影响，故其测定的准确程度强烈影响着系统的性能和经济性。

本文对目前较为常用的测试方法进行了比较，认为现场测试方法是确定土壤热物性的最佳方法。

系统温度变化主要集中在进入地下侧的管道内，占到系统总温差变化72％，因此建议在系统设计时强化回水管与土壤的传热，或者利用进水管传热效果好的特点，从而优化系统性能。

关键词土壤热物性现场测试大地导热系数回填料0 引言对于土壤源热泵系统的设计，无论是利用相关软件计算还是使用工程上简化计算公式，土壤的热物性参数都是土壤源热泵系统地下埋管换热器设计的一个重要参数，它的大小对钻孔深度与个数的有着显著的影响。

如果物性参数不准确，则所设计的系统可能达不到负荷需求，也有可能系统规模过大，从而大大增加系统的初投资。

所以研究的热点就集中在合理减少钻孔的深度和个数上，而这些都工作首先都需要确定土壤的热物性参数。

1 土壤热物性的测定方法目前国内外在确定土壤热物性参数时的设计方法主要有以下3种：1.1根据前期钻井获得的地质资料，通过查找土壤地质方面的手册进行确定如美国电力局（EPRI）编写的手册：Soil and Rock Classification for the Design of Ground-coupled heat pump Systems Field Manual；以及国际热泵协会（IGSHPA）编写的手册：Soil and Rock Classification Manual等。

由于这种手册给出的土壤物性参数并非一个确定值，而是一个可能存在的范围，系统设计人员在设计土壤换热器时，由于设计者的知识水平、经验以及设计估测保守程度等不同会存在很大的差异。

1.2实验室取样测试法这是较为经典的实验室方法。

此方法将现场采集的土壤试样在实验室中通过一定的方法进行测试，从而获得其导热系数等土壤的热物性参数值。

实验三 稳态双平板法测定非金属材料的导热系数 一、实验目的1、巩固导热理论知识，了解建立较严格的一维稳态导热的实际方法。

2、用稳态双平板法测定非金属材料的导热系数，确立导热系数和温度之间的依变关 系, 即 λ=λ0(1 + bt) 或 λ= A +Bt 。

3、学习实际问题的实验研究方法和有关测试技术。

二、实验原理双平板法是以无限大平板的导热规律为基础的。

设有一块厚度为δ，导热系数为λ= A + Bt 的无限大平板，一侧以恒定流密度q (W/m 2) 加热，平板两表面的温度分别保持恒等于t 1和t 2 。

如图1所示。

根据付立叶定律，描写板内温度场的导热微分方程式为：()d d d d t tq A Bt x xλ=-=-+ (3-1) 相应的边界条件为： x=0处，t=t1x=δ处，t=t2 （3-2）图1 平板导热原理对式（3-1）积分，并代入（3-2）式的边界条件，得：12122t t t t q A B δ+-⎡⎤=+⨯⎢⎥⎣⎦ （3-3）令122m m t tA B A Bt λ+=+=+ （3-4）即在平均温度 t m =(t 1+t 2)/2 的条件下，板材的导热系数等于在t 1和t 2间材料的平均导热系数λm 。

则式（3-3）可写为：12()m t t q λδ-=（3-5） 如果是为了确定板材的导热系数，则需在热稳定时，测出加热（或冷却）平板一侧的恒热流密度q 和温度t 1、t 2，依据(3-5)式便可得板材的平均导热系数：12()m q t t δλ=- （3-6）三、实验设备如图2所示，它包括NKIII-200型双试件导热率测定装置、双路直流稳压电源、恒温水浴和测试系统。

NKIII-200型双试件导热率测定装置为对称的双平板结构，它的中央为圆形主加热器，周围为环形辅助加热器，它们均为薄片型加热器，由电阻带均匀绕成。

二者共平面，其之间有一小的环形隔缝。

在主、辅加热器上，各放置由导热系数较大的黄铜做的圆形均热板。

导热系数测定仪校验规程1 概述本规程适用于导热系数测定仪的校验。

2 技术要求导热系数测定值与绝热材料导热系数参比板标准值相对偏差的绝对值不大于1%3 校验用器具绝热材料导热系数参比板4 校验条件（20±5）℃。

5 校验项目及方法（1）测试条件：环境温度（20±5）℃，试验平均温度25℃（冷端温度15℃，热端温度35℃）；（2）修正系数：仪器的修正系数设定为“1”后，按测试条件进行绝热材料导热系数的测定，得出导热系数值λ1，计算得出修正系数b=λ0/λ1(其中λ0为绝热材料系数参比板的标准值)，保留至小数点后第3位，并将仪器的修正系数设定为“b”，；（3）校验：按测试条件进行绝热材料导热系数的测定，得出导热系数，结果取两次试验的算术平均值，保留至小数点后第四位；计算测定结果与标准值相对偏差的绝对值，保留至小数点后第1位。

6 校验结果的判定及处理若校验结果符合技术要求，则判定该仪器设备校验合格。

反之判定为不合格,并按《测量溯源控制与管理程序》规定执行。

7 校验周期一年8 记录校验记录按附表填写，并按《记录和档案管理程序》规定执行。

9 相关文件《记录和档案管理程序》《测量溯源控制与管理程序》■错误!文档中没有指定样式的文字。

共 页第 页审核： 校验： 校验日期：仪器设备校验记录仪器设备名称： 仪器设备编号： 校验器具编号： 环境条件：修正系数绝热材料导热系数参比板导热系数标准值λ0，W/(m ·K)导热系数λ1，W/(m ·K)修正系数b校验技术要求导热系数测定值与绝热材料导热系数参比板标准值的相对偏差的绝对值不大于1%导热系数试验结果λ2，W/(m ·K)12 均值相对偏差的绝对值，%评定结论备注。

纺织品的热导率测试与应用在现代社会中，纺织品的应用领域日益广泛，从日常的服装穿着到工业领域的隔热材料，从家居用品到医疗防护等，其性能要求也越发多样化和专业化。

其中，热导率作为衡量纺织品热传递性能的关键指标，对于评估纺织品在不同场景下的适用性具有重要意义。

一、纺织品热导率的基本概念热导率，简单来说，就是指材料在单位时间内、单位面积上、单位温度梯度下传递的热量。

对于纺织品而言，其热导率的大小取决于多种因素，包括纤维的种类、纺织结构、孔隙率、湿度等。

不同的纤维材料具有不同的热传导性能。

例如，天然纤维如棉和羊毛通常具有相对较低的热导率，因为它们的内部结构较为复杂，存在较多的空气间隙，能够有效地阻碍热传递。

而合成纤维如聚酯和尼龙的热导率则相对较高。

纺织品的纺织结构也会影响热导率。

紧密编织的纺织品通常热导率较高，而疏松的结构则有利于减少热传递。

孔隙率的大小同样重要，较大的孔隙率能够容纳更多的静止空气，从而增强隔热性能，降低热导率。

此外，湿度也会对纺织品的热导率产生影响。

当纺织品吸收水分时，水分的存在会增加热传导的途径，导致热导率升高。

二、热导率测试方法为了准确测定纺织品的热导率，科学家们开发了多种测试方法，常见的有以下几种：1、稳态热板法这是一种广泛应用的方法。

将纺织品样品放置在加热的热板和冷却的冷板之间，通过测量在稳定状态下通过样品的热流量和温度梯度，计算出热导率。

2、热流计法使用热流传感器来测量通过纺织品的热流，结合温度差和样品的几何尺寸，得出热导率。

3、瞬态热线法通过在样品中插入一根加热的细线，测量温度随时间的变化，从而计算热导率。

这种方法适用于测量低导热系数的材料。

在进行热导率测试时，需要严格控制测试条件，如环境温度、湿度、样品的尺寸和预处理等，以确保测试结果的准确性和可靠性。

三、热导率测试的影响因素1、样品的制备样品的尺寸、平整度和均匀性都会对测试结果产生影响。

如果样品尺寸过小或不均匀，可能导致热传递不均匀，从而影响测量结果的准确性。