材料導(dǎo)熱系數(shù)測試實驗

1、東南大學(xué)材料科學(xué)與工程實驗報告學(xué)生姓名張沐天班級學(xué)號12013317實驗日期批改教師課程名稱材料性能測試實驗批改日期實驗名稱材料導(dǎo)熱系數(shù)測試實驗報告成績一、實驗?zāi)康?.掌握穩(wěn)態(tài)法測定材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法2.了解材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系二、實驗原理不同溫度的物體具有不同的內(nèi)能， 同一個物體不同區(qū)域如果溫度不等， 則他們熱運動的激烈程度不同，含有的內(nèi)能也不相同。這些不同溫度的物體或區(qū)域，在相互靠近或接觸時， 會以傳熱的形式交換能量。 由于材料相鄰部分之間的溫差而發(fā)生的能量遷移稱為熱傳導(dǎo)。 在熱能工程、 制冷技術(shù)、 工業(yè)爐設(shè)計等一系列技術(shù)領(lǐng)域中，材料的導(dǎo)熱性都是一個重要的問題。1.材料的導(dǎo)熱性及電導(dǎo)率

2、材料的導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m 厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為1K，在 1s 鐘內(nèi)，通過 1m2 面積傳遞的熱量，單位為W/(m ·K) ，也叫熱導(dǎo)率。q-dT熱導(dǎo)率由簡化的傅里葉導(dǎo)熱定律dx 決定。2.熱傳導(dǎo)的物理機制熱傳導(dǎo)過程就是材料的能量傳輸過程。 在固體中能量的載體可以有自由電子、 聲子和光子，因此固體的導(dǎo)熱包括電子導(dǎo)熱、聲子導(dǎo)熱和光子導(dǎo)熱。1）電子和聲子導(dǎo)熱純金屬中主要為電子導(dǎo)熱，在合金、半金屬或半導(dǎo)體、絕緣體的變化過程中，聲子導(dǎo)熱所占比例逐漸增大。2）光子導(dǎo)熱固體中分子、原子和電子的振動、 轉(zhuǎn)動等運動狀態(tài)的改變會輻射出頻率較高的電磁波，其中具有較強熱效應(yīng)的是波長在

3、0.4-40pm 間的可見光與部分近紅外光的區(qū)域，這部分輻射線稱為熱射線。熱射線的傳遞過程稱為熱輻射。3.影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素1）溫度金屬以電子導(dǎo)熱為主， 電子在運動過程中將受到熱運動的原子和各種晶格缺陷的阻擋，從而形成對熱量傳輸?shù)淖枇ΑＲ话銇碚f，純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度的升高而降低； 而今導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度的升高而升高；玻璃體的導(dǎo)熱系數(shù)則一般隨溫度的降低而減小。2）原子結(jié)構(gòu)物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)對熱傳導(dǎo)有較大影響。 具有一個價電子的， 導(dǎo)電性能良好的、 德拜溫度較高的單質(zhì)都具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。3）成分和晶體結(jié)構(gòu)合金中加入雜質(zhì)元素將提高熱阻， 使導(dǎo)熱系數(shù)降低。 雜志原子與基體金屬的結(jié)構(gòu)差異較大的元素，

4、對基體導(dǎo)熱系數(shù)的影響也較大。4）壓強，密度，氣孔率等壓強，密度，氣孔率等因素也會對材料的導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生影響， 影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的因素是復(fù)雜的。4.導(dǎo)熱系數(shù)的測試方法根據(jù)試樣內(nèi)溫度場是否隨時間改變可將固體的導(dǎo)熱分為穩(wěn)定導(dǎo)熱和不穩(wěn)定導(dǎo)熱。測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法也分為兩大類：穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法。1）穩(wěn)態(tài)法穩(wěn)態(tài)法是根據(jù)傅立葉方程直接測量導(dǎo)熱系數(shù)，但溫度范圍與導(dǎo)熱系數(shù)范圍較窄，主要適用于在中等溫度下測量中低導(dǎo)熱系數(shù)材料 。穩(wěn)態(tài)法可分為熱流法（直接法、比較法）、保護熱流法、熱板法等測試方法。2）動態(tài)法動態(tài)法使用范圍較為寬廣， 適合于高導(dǎo)熱系數(shù)材料以及高溫下的測試，其中發(fā)展最快、最具代表性、得到國際熱物理學(xué)界普遍承認(rèn)

5、的方法是閃光法（ Flash Method，有時也稱為激光法，激光閃射法），也是本次實驗使用的方法。閃光法的優(yōu)點為要求的樣品尺寸較小， 測量范圍寬廣， 可測量除絕熱材料以外的絕大部分材料， 特別適合于中高導(dǎo)熱系數(shù)材料的測量。 除常規(guī)的固體片狀材料測試外，通過使用合適的夾具或樣品容器并選用合適的熱學(xué)計算模型， 還可測量諸如液體、粉末、纖維、薄膜、熔融金屬、基體上的涂層、多層復(fù)合材料、各向異性材料等特殊樣品的熱傳導(dǎo)性能。三、實驗儀器與裝置1.NETZSCH LFA 467金屬高溫導(dǎo)熱系數(shù)測試儀2.保護氣體3.游標(biāo)卡尺4.NETZSCH激光導(dǎo)熱儀樣品支架5.實驗樣品四、實驗步驟及測量數(shù)據(jù)1.選擇合適

6、的樣品支架，安裝合適大小的試樣2.打開保護氣體3.開啟計算機，啟動計算機，進入導(dǎo)熱系數(shù)測試程序4.設(shè)置加熱溫度及其他參數(shù)，開始實驗5.試驗結(jié)束后，自動得到導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果6.進行分析五、實驗數(shù)據(jù)與處理1.PV 塑料2.紫銅3.Q235 鋼六、實驗結(jié)果與討論1.簡述金屬、非金屬建筑材料、氣體導(dǎo)熱性能差異大的原因。答：金屬主要是通過電子導(dǎo)熱來傳熱， 而非金屬建筑材料大多為絕緣體， 主要導(dǎo)熱形式為聲子導(dǎo)熱， 電子導(dǎo)熱效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于聲子導(dǎo)熱， 所以金屬材料導(dǎo)熱性能優(yōu)于非金屬建筑材料。 氣體的對流加快了熱傳遞， 其導(dǎo)熱系數(shù)是非常高的； 但是依舊不能和電子導(dǎo)熱相提并論， 所以金屬的導(dǎo)熱性能強于氣體， 但是無機非金屬和氣體導(dǎo)熱性能大小無法確定，還需根據(jù)具體的材料進行分析2.計算紫銅、 Q235 鋼、塑料的熱擴散系數(shù)答：紫銅的熱擴散系數(shù)為：134.514塑料的熱擴散系數(shù)為： 0.251Q235 鋼的熱擴散系數(shù)為： 18.2723.分析溫度對熱擴散系數(shù)的影響答：溫度對各類絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)均有直接影響， 溫度提高，材料導(dǎo)熱系數(shù)上升。因為溫度升高時， 材料固體分子的熱運動增強， 同時材料孔隙中空氣的導(dǎo)熱和孔壁間的輻射作用也有所增加。 但這種影響， 在溫度為 0-50范圍內(nèi)并不顯著， 只有對處于高溫或負(fù)溫下的材料， 才要考慮溫度的影響。 金屬以電子導(dǎo)熱為主