非金屬固體材料導熱系數(shù)的測量.docx

山東大學學生物理實驗報告實驗項目：不良導體導熱系數(shù)測量方法及儀器 完成人：韓益洪 學號：201300181051 學院：電氣工程學院前言本文介紹了導熱系數(shù)測量的基本理論與定義，熱線法、激光法、動態(tài)測量法等幾類測量方法的原理與應用，以及德國耐馳公司（NETZSCH）的相關儀器。 在某些應用場合，了解材料的導熱系數(shù)，是測量其熱物理性質(zhì)的關鍵。例如，耐火材料常被用作爐子的襯套，因為它們既能耐高溫，又具有良好的絕熱特性，可以減少生產(chǎn)中的能量損耗。航天飛機常使用陶瓷瓦作擋熱板。陶瓷瓦能承受航天飛機回到地球大氣層時產(chǎn)生的高溫，有效防止航天器內(nèi)部關鍵部件的損壞。在現(xiàn)代化的燃氣渦輪電站，渦輪的葉片上的陶瓷涂層（如穩(wěn)定氧化鋯）能保護金屬基材不受腐蝕，降低基材上的熱應力。有效的散熱器能保護集成電路板與其它電子設備不受高溫損壞，散熱材料已經(jīng)成為微電子工業(yè)領域關鍵材料。 在過去的幾十年里，已經(jīng)發(fā)展了大量的導熱測試方法與系統(tǒng)。然而，沒有任何一種方法能夠適合于所有的應用領域，反之對于特定的應用場合，并非所有方法都能適用。要得到準確的測量值，必須基于材料的導熱系數(shù)范圍與樣品特征，選擇正確的測試方法。1.熱線法測量不良導體導熱系數(shù) 用熱線法測量不良導體導熱系數(shù)是一種廣泛使用的方法，國家對此制定了標準“非金屬固體材料導熱系數(shù)的測定熱線法”（GB/T10297-1998）。基本原理如圖1所示，在勻質(zhì)均溫的物體內(nèi)部放置一電阻絲，即熱線，對其以恒定功率加熱時，熱線及其附近試樣的溫度將隨時間變化。根據(jù)時間與溫度的變化關系，可以確定該試樣的導熱系數(shù)。1原理簡述由熱傳導理論2可知，恒定功率的熱線對勻質(zhì)物體進行熱傳導時，可以用一維柱坐標系的熱傳導方程對物體的溫度場進行描述：（1）邊界條件為：根據(jù)熱傳導方程和邊界條件得到：其中各物理量含義為，t：熱線的加熱時間，單位為s；r：距熱線的距離，單位為m；q：熱線單位長度的加熱功率，單位為W/m；：加熱時間t，距離熱線距離r處的溫升，單位為K；：試樣的熱擴散率，單位為m2/s；：試樣的導熱系數(shù)，單位為W/（mK），對于非金屬固體材料，該系數(shù)一般小于2W/（mK）。假設，即r0或t，利用Euler公式，忽略展開后二次項以后的各項。如果在不同時間t1、t2，測的同一點r處的溫升為，則：（4）根據(jù)上式可以得到試樣的導熱系數(shù)（5）式中，I、U分別熱線的通電電流（單位為A）和電壓（單位為V），L為有效加熱長度（單位為m）。因此，當?shù)葧r間間隔測量試樣的溫升時，ln(t2/t1)和呈線性關系，據(jù)此計算試樣的導熱系數(shù)。實驗設計實驗裝置如圖2所示。試樣為環(huán)氧樹脂，有效長度220mm，直徑28mm。加熱絲為鎢桿，直徑1mm，RWu=0.01650，加熱電流35A。溫度測量利用電阻溫度系數(shù)（R=0.00393-1）線性比較好的銅絲進行，關系式為：RCu=R0(1+Rt)（6）R0為0時的電阻值。銅絲直徑0.21mm，為保證基本不產(chǎn)生熱效應，宜選擇小工作電流（2mA），當試樣溫度變化時，銅絲電壓也隨之變化。增加銅絲繞制匝數(shù)或減小直徑，可以獲得較大變化的電壓值。實驗步驟1由于熱絲加熱和銅絲電阻測量均采用恒流供電，因此要確定工作電流大小。特別注意：調(diào)節(jié)電流時，恒流源不能開路調(diào)節(jié)（否則Pout，電源會燒毀）。2將加熱絲和采樣小電阻串入大電流恒流源，120mV電壓表檢測大恒流源輸出和加熱絲工作狀態(tài)（實驗要求加熱功率變化小于1%）。將測溫銅電阻和采樣大電阻串入小電流電路，120mV電壓表檢測小恒流源輸出和銅絲電阻變化。3確定各連線沒有問題后，先接通測溫電路，再接通加熱電路，穩(wěn)定10分鐘左右后開始記錄數(shù)據(jù)，時間間隔自定，電流穩(wěn)定性觀測間隔約510分鐘，銅絲電阻測量一般取25分鐘記錄一點，工作過程11.5小時。盡可能保持環(huán)境穩(wěn)定。數(shù)據(jù)處理1數(shù)據(jù)記錄初始溫度t=_；單位時間間隔的加熱電流、電壓，銅絲電流、電壓；結(jié)束溫度t=_2實驗報告要求：1)記錄實驗儀器規(guī)格。2)根據(jù)初始時環(huán)境溫度，銅絲的電阻溫度系數(shù)、電流和電壓值確定的銅絲的R0。3)寫出求解環(huán)氧樹脂導熱系數(shù)的過程（包括公式推導、數(shù)據(jù)代入過程等），可以用坐標紙或計算機處理數(shù)據(jù)。4)分析加熱功率是否滿足波動小于1%。5)分析改變實驗條件，如加熱電流、測溫電流等，對實驗數(shù)據(jù)的影響。6)總結(jié)實驗的特點及可能產(chǎn)生誤差的原因，解決設想。7)你是否愿意將此實驗該為計算機采集？請與老師聯(lián)系E-mail:參考文獻1國家質(zhì)量技術監(jiān)督局，“非金屬固體材料導熱系數(shù)的測定熱線法”（GB/T102971998）。2奧齊西克編著，俞昌銘譯，熱傳導，高等教育出版社，1983。3朱鶴年編著，物理實驗研究，清華大學出版社，1994。2.閃光法測不良導體熱導率摘 要：本實驗使用閃光法熱導儀測量不良導體熱導率，重點介紹了一種測定材料熱物性參數(shù)的方法，并依據(jù)該方法進行材料熱導率的測量。關鍵詞：閃光法 不良導體 熱導率1實驗目的1、測定不良導體熱導率；2、了解一種測定材料熱物性參數(shù)的方法；3、了解熱物性參數(shù)測量中的基本問題；4、學習使用高壓脈沖光源和光路調(diào)節(jié)技術以及用微機控制實驗和采集處理數(shù)據(jù)2 基本知識1、熱傳導指發(fā)生在固體內(nèi)部或靜止流體內(nèi)部的熱量交換過程。其微觀機制是，由自由電子或晶格振動波作為載體進行熱量交換的過程。宏觀上是由于物體內(nèi)部存在溫度梯度，發(fā)生從高溫區(qū)向低溫區(qū)域傳輸能量的過程。2、熱導率是反映物質(zhì)導熱能力的重要物性參數(shù)，其數(shù)值是每單位時間內(nèi)，在每單位長度上溫度降低1攝氏度時，每單位面積上通過的熱量。3、穩(wěn)態(tài)發(fā)和非穩(wěn)態(tài)法測固體材料熱導率的方法大體有兩類：一類是穩(wěn)態(tài)法，另一類是非穩(wěn)態(tài)法。由于試樣的性質(zhì)、形狀、測試溫度范圍、加熱方式以及測定傳遞熱量的方法各不相同，又有許多不同的具體方法。非穩(wěn)態(tài)法用的是非穩(wěn)態(tài)導熱微分方程，測量的量是溫度隨時間的變化關系，得到的是熱擴散率，利用材料的已知密度和比熱容，可以求得熱導率。本試驗中使用的閃光法就是非穩(wěn)態(tài)法的一種。3實驗原理1、傅立葉導熱定律和熱導率利用熱流密度的矢量形式表示，有傅立葉導熱定律：q=-grad T其中q為熱流密度矢量，表示在單位等溫面上沿溫度降低方向單位時間內(nèi)傳遞的熱量。為熱導率。2、材料熱導率的測量方法閃光法工作環(huán)境及原理：在一個四周絕熱的圓形薄片正面，輻照垂直于圓片正面的均勻脈沖光，測出一維熱流條件下試樣背面的溫升曲線，有曲線找出最大溫升的一半（T1/2）所對應的時間（t1/2），就可確定熱擴散率，進而再由次材料的比熱容c、密度即可算出熱導率。熱導率計算公式：=1.38cL2/2 t1/2 （）下圖為閃光法原理圖圖1閃光法測擴散率的原理圖4 實驗儀器儀器包括閃光法熱導儀（包括高壓脈沖氙燈和光源、光學調(diào)節(jié)系統(tǒng)、待測樣品、P-N結(jié)溫度傳感器、放大電路、AD/DA卡、微機、軟件等）。本實驗裝置分為三部分：光學系統(tǒng) 測溫系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。裝置框圖見圖2所示。圖2 測量系統(tǒng)示意框圖1、光學系統(tǒng)包含高壓脈沖氙燈，氙燈電源，橢球反光鏡，樣品和樣品盒，氙燈及樣品的三維調(diào)節(jié)裝置。實驗所用的高壓脈沖氙燈形狀為直管式。當電極兩端加高壓600-1000V，極間放電，發(fā)出耀眼的白光。本實驗就是利用氙燈的瞬間放電對試樣進行加熱。2、測溫系統(tǒng)它的作用是將其對溫度變化的響應以電壓形式輸出。為了能被微機識別，需將輸出信號放大。兩只溫度傳感器的作用分別是作為測溫元件和用于補償電路中。放大電路中所用放大器為低噪聲場效應運算放大器，信噪比較高，試樣為酚醛膠布板、大理石、瓷磚。3、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)實驗中利用D/A轉(zhuǎn)換功能觸發(fā)光脈沖，同時用A/D轉(zhuǎn)換功能采集由PN結(jié)溫度傳感器接收到的樣品背面的溫升信號，由微機屏幕顯示出溫升曲線。5 實驗內(nèi)容及設計步驟：（1）觀察光學系統(tǒng)的結(jié)構以及測量系統(tǒng)的接線。因?qū)俟鈱W精密儀器，不得擅自調(diào)節(jié)?。?）開啟微機，進入“TC-II閃光法熱導儀實驗系統(tǒng)”。先在主菜單中選擇“文件”項，在“文件”菜單中選“新建”項，再選擇主菜單中“數(shù)據(jù)”項中的“選項”，設置AD/DA參數(shù)。一般基本項都已設置好，只選“采樣極性”，通常為“雙極性”。再選“采集與報警”，只要給定“采集時間”并設定“外觸發(fā)脈沖”的電壓值為0V。確定后，再打開主菜單的“數(shù)據(jù)”，選“開始采集”，則系統(tǒng)在指令發(fā)出后延遲2s，自動采集數(shù)據(jù)，因未觸發(fā)高壓脈沖，此數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)。（3）開啟高壓脈沖電源，將電壓調(diào)到600V。（4）重復步驟（2），只需將“外觸發(fā)脈沖”的電壓值調(diào)節(jié)為5V，系統(tǒng)會自動觸發(fā)高壓脈沖，電源給氙燈加一高壓，氙燈閃光，窗口中顯示出實時采集的圖像，這就是樣品背面采集的溫升曲線（見圖3）。圖3 樣品背面采集的溫升曲線（5）重復測量待測樣品的溫升曲線，每隔10分鐘測一次，共測三次，求出t1/2的值。樣品的厚度分別為：酚醛膠布板3.010.01mm、大理石2.940.02mm、瓷磚2.920.02mm。計算試樣材料的熱導率。密度和比熱容可利用表1給出的標準值。樣品密度（g/cm2）比熱（cal/g）酚醛膠布板1.320.25瓷磚2.200.17大理石3.070.16表1 三種樣品的密度和比熱容（6）對同一樣品在不加熱的情況下取其“溫升-時間”曲線，觀察由于環(huán)境溫度的波動、二極管本身的熱噪聲等因素對測量結(jié)果的影響，給出評價。6實驗數(shù)據(jù)及分析1、數(shù)據(jù)處理（1）直接從數(shù)值矩陣中讀取T0（樣品初始溫度）和Tm（樣品最大溫升），算出(T0+ Tm)/2，再用光標及數(shù)值矩陣中讀取相應的t1/2，計算t1/2；（2）用“數(shù)據(jù)擬合”功能對數(shù)據(jù)進行多項式擬合，從擬合曲線上求出t1/2，與（1）中計算出的t1/2比較。由于三號微機無法存取圖像，故本實驗取大理石樣品實驗數(shù)據(jù)中的兩組以及酚醛膠布板樣品中的一組進行處理得表2大理石第一組t0（s）T0（）tm（s）Tm（）(T0+ Tm)/2(對應t1/2) ()t1/2（t1/2- t0）（s）原始數(shù)據(jù)0.66-0.237422.24-0.1139-0.175652.96數(shù)據(jù)擬合0-0.2414826.42-0.11333-0.1774053.51散熱修正0.66-0.237424.66-0.1084-0.17293.07第二組t0（s）T0（）tm（s）Tm（）(T0+ Tm)/2(對應t1/2) （）t1/2（t1/2- t0）（s）原始數(shù)據(jù)0.33-0.257916.14-0.1433-0.20063.07數(shù)據(jù)擬合0-0.2414814.28-0.11424-0.1776943.51散熱修正0.66-0.237426.03-0.1084-0.17293.18酚醛膠布板t0（s）T0（）tm（s）Tm（）(T0+ Tm)/2(對應t1/2) ()t1/2（t1/2- t0）（s）原始數(shù)據(jù)0.11-0.499821.15-0.3476-0.4256.32數(shù)據(jù)擬合0-0.4966427.03-0.34692-0.4286.87散熱修正0.11-0.499827.85-0.3292-0.427.31表2實驗數(shù)據(jù)（3）由t1/2 及、c、L計算本實驗取大理石的厚度為0.294cm，取酚醛膠布板的厚度為0.301cm帶入公式（）計算得到表3，以便比較大理石原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)擬合散熱修正t1/2（s）第一組2.963.513.07第二組3.073.513.18平均值3.0153.513.125（w/mk）第一組2.00610-31.69110-31.93410-3第二組1.93410-31.69110-31.86710-3平均值1.96910-31.69110-31.90010-3酚醛膠布板原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)擬合散熱修正t1/2（s）6.326.877.31（w/mk）6.61510-46.08510-45.71910-4表3不良導體熱導率數(shù)據(jù)擬合原始數(shù)據(jù)散熱修正圖4 酚醛膠布板原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)擬合、散熱修正比較2、數(shù)據(jù)分析（1）由表2知大理石的兩組實驗的原始數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)比較接近，每組中的原始數(shù)據(jù)和散熱修正結(jié)果得到的t1/2比較接近而與數(shù)據(jù)擬合結(jié)果相差較多，兩組數(shù)據(jù)均表現(xiàn)為原始數(shù)據(jù)最小， 數(shù)據(jù)擬合結(jié)果最大，兩者的差值較大，并且兩組數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果相同。酚醛膠布板原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)擬合及散熱修正間所得t1/2呈遞增關系（2）由表3知原始數(shù)據(jù)得到的熱導率值較大，散熱修正次之，擬合之后的最小。酚醛膠布板原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)擬合及散熱修正間所得熱導率均有一定偏差，且呈遞減關系，但應在精確度范圍內(nèi)。（3）大理石和酚醛膠布板的散熱修正與原始數(shù)據(jù)的差異關系應與儀器有關，由于本實驗使用了兩臺儀器，故顯示的關系不太一致；大理石和酚醛膠布板熱導率差一個量級7 實驗誤差分析1、儀器本身的精密度;2、外部環(huán)境的干擾;3、實驗組次少4、計算中的傳遞誤差;由于本次試驗組次少，故沒有進行不確定度的計算，且大理石的厚度并不是一個確值5、測溫溫度傳感器熱噪聲的影響6、實驗過程中的熱量損失7、所選曲線并不能很好的體現(xiàn)材料的熱擴散率，因為曲線尾部并不呈拋線狀而是呈一定的平滑狀，雖然所選的兩組數(shù)據(jù)是所有組次中效果最好的，但對最值的讀取還是有一定的影響8、實驗過程中不能很好的把握樣品和氙燈電源的距離對實驗結(jié)果的影響，所以得到的曲線干擾較多8 參考文獻1大學物理綜合設計實驗，中國海洋大學物理實驗教學中心3.動態(tài)（瞬時）測量法動態(tài)測量法是最近幾十年內(nèi)開發(fā)的導熱系數(shù)測量方法，用于研究中、高導熱系數(shù)材料，或在高溫度條件下進行測量。動態(tài)法的特點是精確性高、測量范圍寬（最高能達到 2000）、樣品制備簡單。、瞬時平面熱帶法(THS)1.1實驗裝置如圖l所示，與穩(wěn)態(tài)法不同的是此裝置的熱源是用一金屬鎳箔做成的條狀元件即金屬熱帶，此元件在有脈沖電流輸入時有一瞬時溫升，元件上溫度變化后其阻值會發(fā)生變化，因而，此帶既被用作熱源又被用作溫度傳感元件，其形狀如圖1o所示，尺寸為：80mm415姍O0085mm，金屬熱帶被安置在兩待測的扁平厚片試樣之間(如圖16)，金屬帶上沖壓出兩引線端用于元件接入電路中(如圖1c)。1.2實驗原理本實驗加熱時，輸入元件的是一脈沖電流，持續(xù)時間(也是測量時間)通常是幾秒，實驗時僅需記錄一下電流脈沖通過時加熱條帶元件兩端的電壓(電阻溫度)變化。在瞬時記錄期間，金屬帶的電阻變化近似值由下式給出：R(t)=Ro1+aT(t) (1)而Ro是瞬時記錄開始前條帶的電阻值，a是帶的電阻溫度系數(shù)值，r(f)是元件上溫度隨時間變化的函數(shù)，T(t)=T(t)一T(0)由熱傳導方程：這里是拉普拉斯算子，t為時間，k為熱擴散系數(shù)。 因為加恒定電流的時間很短(幾秒)，樣品有一定厚度，在這樣短暫的時間內(nèi)，金屬帶所獲得的熱量不可能傳至樣品外，此外金屬帶有足夠長度，因此可以理想成為無限長的金屬熱帶在無限大介質(zhì)中的熱傳導問題，其解為： （3）其中，Po是熱源總輸出功率，2h是金屬帶的長度，2d是帶的寬度，hd，且（4）式Ei和erf分別是指數(shù)冪積分函數(shù)和誤差函數(shù)：實驗測量獲得R(t)，由(1)式求得T(t)，代人(3)、(4)、(5)即可求出熱擴散系數(shù)k，c和導熱系數(shù)。這個實驗的物理意義是：當金屬帶通過恒定的電流溫度上升，而溫度的變化是和金屬帶兩邊樣品的熱傳導系數(shù)密切相關，顯然樣品的導熱系數(shù)越大，溫度上升越慢。由(1)式可知測出電阻隨時間的變化值R(t)=RoT(t)，即可從T(t)的變化求出導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)。1.3電路設計本測量電路如圖2所示，使用一電橋，輸入一電壓值可調(diào)的穩(wěn)壓源，從實驗的角度講，衡量 一個電路設計好壞標準為保證工作電流變化在1以內(nèi)，此惠斯頓橋的橋臂上電阻值與總電阻之比為1100，以保證有99的電流脈沖通過傳感器，I1=q(q+1)，(q是兩橋臂的電阻之比值，q=100)，電路中使用數(shù)字電壓表D聊監(jiān)控通過橋的電壓