不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定

試驗(yàn)九不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定試驗(yàn)九不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定－－48－試驗(yàn)九不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)(熱導(dǎo)率)〔和輻射〕根本形式之一，是工程熱物理、材料科學(xué)、固體物理及能源、環(huán)保等各個(gè)爭(zhēng)論領(lǐng)域的課題之一，要生疏導(dǎo)熱的本質(zhì)和特征，需了解粒子物理而目前對(duì)導(dǎo)熱機(jī)理的理解大多數(shù)來自固體物理的試驗(yàn)。材料的導(dǎo)熱機(jī)理在很大程度上取決于它的微觀構(gòu)造，熱量的傳遞依靠原子、分子圍繞平衡位置的振動(dòng)以及自由電子的遷移，在金屬中電子流起支配作用，在絕緣體和大局部半導(dǎo)體中則以晶格振動(dòng)起主導(dǎo)作用。溫度、壓力及雜質(zhì)含量相聯(lián)系。在科學(xué)試驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)中所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)都需要用試驗(yàn)的方法測(cè)定〔尋〕1882年法國科學(xué)家J傅里葉奠定了熱傳導(dǎo)理論，目前各種測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的方法都是建立在傅里葉熱傳導(dǎo)定律根底之上，從測(cè)量方法來說，可分為兩大類：穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法，本試驗(yàn)承受的是穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)?！驹囼?yàn)?zāi)康摹苛私鉄醾鲗?dǎo)現(xiàn)象的物理過程學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)學(xué)習(xí)用作圖法求冷卻速率把握一種用熱電轉(zhuǎn)換方式進(jìn)展溫度測(cè)量的方法【試驗(yàn)儀器】YBF-3導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀、冰點(diǎn)補(bǔ)償裝置、測(cè)試樣品〔硬鋁、硅橡膠、膠木板、塞尺等【試驗(yàn)原理】為了測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，首先從熱導(dǎo)率的定義和它的物理意義入手。熱傳導(dǎo)zzz0處取一個(gè)垂直截dsdTzdQ表示在該處的傳熱速率〔單位時(shí)間dz dt內(nèi)通過截面積ds的熱量，那么傳導(dǎo)定律可表示成：dQ(dT)dz

dsdt 〔9-1〕z0式中的負(fù)號(hào)表示熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳導(dǎo)〔即熱傳導(dǎo)的方向與溫度梯度的方向相反〔9-1〕式中比例系數(shù)即為導(dǎo)熱系數(shù)，可見熱導(dǎo)率的物理意義：在溫度梯度為一個(gè)單位的狀況下，單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積截面的熱量。利用〔9-1〕式測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)，需解決的關(guān)鍵問題兩個(gè)：一個(gè)是在材料內(nèi)造成一個(gè)溫度梯度dQ。dt

dT，并確定其數(shù)值；另一個(gè)是測(cè)量材料內(nèi)由高溫區(qū)向低溫區(qū)dz1dTdz為了在樣品內(nèi)造成一個(gè)溫度的梯度分布，可以把樣品加工成平板狀，并把它夾在兩塊良導(dǎo)體——銅板之間，使兩塊銅板分別保持在恒定溫度T1

和T，就可能在垂2直于樣品外表的方向上形成溫度的梯度分布。樣品厚度可做成hD〔樣品直徑。這樣，由于樣品側(cè)面積比平板面積小得多，由側(cè)面散去的熱量可以無視不計(jì)，可以認(rèn)為熱量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導(dǎo)，即只在此方向上有溫度梯度。由于銅是熱的良導(dǎo)體，在到達(dá)平衡時(shí)，可以認(rèn)為同一銅板各處的溫度一樣，樣品內(nèi)同一平h和兩塊銅板的溫度T1

、T，21就可以確定樣品內(nèi)的溫度梯度度T1

T2〔無h縫隙，否則中間的空氣層將產(chǎn)生熱阻，使得溫度梯度測(cè)量不準(zhǔn)確。等大的圓形。2dQdt單位時(shí)間內(nèi)通過一截面積的熱量

dQ是一個(gè)無法直接測(cè)定的量，我們?cè)O(shè)法將這dt個(gè)量轉(zhuǎn)化為較為簡潔測(cè)量的量，為了維持一個(gè)恒定的溫度梯度分布，必需不斷地給高溫側(cè)銅板加熱，熱量通過樣品傳到低溫側(cè)銅塊，低溫側(cè)銅板則要將熱量不斷地向四周環(huán)境散出。當(dāng)加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時(shí)，系統(tǒng)就到達(dá)一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，稱之為穩(wěn)態(tài)。此時(shí)低溫側(cè)銅板的散熱速率就是樣品內(nèi)的傳熱速率。這樣，只要測(cè)量低溫側(cè)銅板在穩(wěn)態(tài)溫度T2

速率。但是，銅板的散熱速率也不易測(cè)量，還需要進(jìn)一步作參量轉(zhuǎn)換，我們已經(jīng)知道，銅板的散熱速率與其冷卻速率〔溫度變化率dT/dt〕有關(guān)，其表達(dá)式為：dQdtT

mc 〔9-2〕dTdTdt2 2式中mc為銅板的比熱容，負(fù)號(hào)表示熱量向低溫方向傳遞。由于質(zhì)c為常量，這樣對(duì)銅板的散熱速率的測(cè)量又轉(zhuǎn)化為對(duì)低溫側(cè)銅板冷卻速率的測(cè)量。測(cè)量銅板的冷卻速率可以這樣測(cè)量：在到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，移去樣品，用加熱銅板直接對(duì)下金屬銅板加熱，使其的溫度高于穩(wěn)定溫度T2

〔10℃左右〕T2

，測(cè)出溫度在大于T2

到小于T區(qū)間2Tt曲線，曲線在T2

處的斜率就是銅板在穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)T下的冷卻速率。2應(yīng)當(dāng)留意的是，這樣得出的dT/dt是在銅板全部外表暴露于空氣中的冷卻速2R22Rh(Rh

分別是下銅板的半徑和厚度)然而在P PP P P試驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，銅板的上外表〔面積為R2〕是樣品掩蓋的，由于物體的散熱P速率與它們的面積成正比，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)，銅板散熱速率的表達(dá)式應(yīng)修正為：dQ dT R2mc p PP

〔9-3〕dt dt 2R22Rhp PP依據(jù)前面的分析，這個(gè)量就是樣品的傳熱速率。將上式代入熱傳導(dǎo)定律表達(dá)式，并考慮到dsR2可以得到導(dǎo)熱系數(shù)：dTdt 2h R 1 dTdtmc P P

〔9-4〕2h 2RP P

R2 T T1

R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的質(zhì)量、c為銅塊的比熱容、R hP

分別是下銅板的半徑和厚度。右式中的各項(xiàng)均為常量或直接易測(cè)量?！驹囼?yàn)步驟與要求】用自定量具測(cè)量樣品、下銅板的幾何尺寸和質(zhì)量等必要的物理量，屢次測(cè)量、然后取平均值。其中銅板的比熱容c0.385KJ/KKg加熱溫度的設(shè)定〔〔S后一位數(shù)碼管開頭閃耀。依據(jù)試驗(yàn)所需溫度的大小，再按設(shè)定鍵、減數(shù)鍵〕來設(shè)定好所需的加熱溫度。8秒鐘后返回至正常顯示狀態(tài)。圓筒發(fā)熱盤側(cè)面和散熱盤P都應(yīng)與冰點(diǎn)補(bǔ)償器在同一側(cè)，以免線路錯(cuò)亂。熱電偶插入小孔時(shí)，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，保證接觸良好，熱電偶冷端接到冰點(diǎn)補(bǔ)償器信號(hào)輸入端。依據(jù)穩(wěn)態(tài)法的原理，必需得到穩(wěn)定的溫度分布，這就需要較長的時(shí)間等待?！笆謩?dòng)”“高”檔，依據(jù)目標(biāo)溫度的凹凸，加熱確定時(shí)間后再打至“低”檔。依據(jù)溫度的變化狀況要手動(dòng)去把握“高”檔或“低”檔加熱。然后，每隔5分鐘讀一下溫度示值〔具體時(shí)間因被測(cè)物和溫度而異，如在一段時(shí)間內(nèi)樣品上、下外表溫度T1

、T示值都不變，2即可認(rèn)為已到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。自動(dòng)PID控溫測(cè)量時(shí)，把握方式開關(guān)打到“自動(dòng)”,手動(dòng)選擇開關(guān)打到中間一檔，PID5分鐘讀一下溫度示值，如在一段時(shí)間內(nèi)樣品上、下外表溫度T1

、T示值都不變，即可認(rèn)為已到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。2記錄穩(wěn)態(tài)時(shí)T1

、TT高2 210每隔30T2

的T t冷卻速率曲線〔選取鄰近的T2

測(cè)量數(shù)據(jù)來求出冷卻速率。依據(jù)〔9-4〕計(jì)算樣品的導(dǎo)熱系數(shù)λ。本試驗(yàn)選用銅-康銅熱電偶測(cè)溫度，溫差100℃時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)約4.0mV，故應(yīng)配用量程0～20mV，并能讀到0.01mV的數(shù)字電壓表〔數(shù)字電壓表前端承受自穩(wěn)零放大器，故無須調(diào)零。由于熱電偶冷端溫度為0℃，對(duì)確定材料的熱電偶而言，當(dāng)溫度變化范圍不大時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)〔mV〕與待測(cè)溫度〔0℃〕的比值是一個(gè)常數(shù)。由此，再用〔9-4〕計(jì)算時(shí),可以直接以電動(dòng)勢(shì)值代表溫度值?！驹囼?yàn)留意事項(xiàng)】穩(wěn)態(tài)法測(cè)量時(shí)，要使溫度穩(wěn)定約要40分鐘左右。手動(dòng)測(cè)量時(shí)，為縮短時(shí)間，可先將熱板電源電壓打在高檔，確定時(shí)間后，毫伏表讀數(shù)接近目標(biāo)溫度對(duì)應(yīng)的熱電偶讀數(shù)，即可將開關(guān)撥至低檔，通過調(diào)整手動(dòng)開關(guān)的高檔、低檔及斷電檔，使上銅盤的熱電偶輸出的毫伏值在±0.03mV30A和P對(duì)應(yīng)的毫伏讀數(shù)，待下圓盤的毫伏讀數(shù)在3分鐘內(nèi)不變即可認(rèn)為已到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),記下此時(shí)的V 和V 值。T T1 2測(cè)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)態(tài)值時(shí),熱電偶應(yīng)當(dāng)插到金屬樣品上的兩側(cè)小孔中；測(cè)量散熱速率時(shí)，熱電偶應(yīng)當(dāng)重插到散熱盤的小孔中。T1

、T值為穩(wěn)態(tài)時(shí)金屬樣品2上下兩側(cè)的溫度，此時(shí)散熱盤P的溫度為T3

，因此測(cè)量P盤的冷卻速率應(yīng)為：mc

hTtTTtTT3 1 2

1R2測(cè)T值時(shí)要在T3

、T到達(dá)穩(wěn)定時(shí)，將上面測(cè)T2

或T的熱電偶移下來插到金屬下端的2小孔中進(jìn)展測(cè)量。高度h按金屬樣品上的小孔的中心距離計(jì)算。BP的幾何尺寸，可用游標(biāo)尺屢次測(cè)量取平均值。散熱盤的質(zhì)量m0.8㎏，可用藥物天平稱量。本試驗(yàn)選用銅—1004.27mV，故配用0—20mV0.01ｍV的電壓。備注：當(dāng)消滅特別報(bào)警時(shí)，溫控器測(cè)量值顯示：HHHH，設(shè)置值顯示：Err，當(dāng)故障檢查并解決后可按設(shè)定鍵〕復(fù)位和加數(shù)鍵、減數(shù)鍵〕【預(yù)習(xí)思考題】到穩(wěn)態(tài)？試驗(yàn)中為什么要測(cè)量散熱盤的冷卻速率？【課后作業(yè)】試述穩(wěn)態(tài)法測(cè)不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的根本思想方法？求冷卻速率時(shí),為什么要在散熱盤穩(wěn)態(tài)溫度四周選值？穩(wěn)態(tài)法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù),要求哪些試驗(yàn)條件？在試驗(yàn)中如何確定和保證？不用確定熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系來得到溫度值，而直接代入熱電勢(shì)計(jì)算即可？【附錄】一、YBF-3型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀使用說明導(dǎo)熱系數(shù)(熱導(dǎo)率)是反映材料導(dǎo)熱性能的物理量，它不僅是評(píng)價(jià)材料的重要依據(jù)，而且是應(yīng)用材料時(shí)的一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，在加熱器、散熱器、傳熱管道設(shè)計(jì)、房屋設(shè)計(jì)等工程實(shí)踐中都要涉及這個(gè)參數(shù)。由于材料的熱導(dǎo)率不僅隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質(zhì)含量、構(gòu)造變化都會(huì)明顯影響熱導(dǎo)率的數(shù)值，所以在科學(xué)試驗(yàn)和工程技術(shù)中對(duì)材料的熱導(dǎo)率常用試驗(yàn)的方法測(cè)定。測(cè)量熱導(dǎo)率的方法大體上可分為穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法兩類。本測(cè)試儀承受穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其設(shè)計(jì)思路清楚、簡捷、試驗(yàn)方法具有典型性和有用性。測(cè)量物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)是熱學(xué)試驗(yàn)中的一個(gè)重要內(nèi)容。上面板圖下面板圖上面板圖下面板圖儀器的面板圖加熱溫度的設(shè)定按一下溫控器面板上設(shè)定鍵〔S，此時(shí)設(shè)定值〔SV〕閃耀。依據(jù)試驗(yàn)所需溫度的大小，再按設(shè)定鍵〔S〕、減數(shù)鍵〕來設(shè)定好所需的加熱溫度。8秒鐘后返回至正常顯示狀態(tài)。儀器維護(hù)與保養(yǎng)使用前將加熱盤與散熱盤面擦干凈。樣品兩端面擦凈，可涂上少量硅油。以保證接觸良好。留意，樣品不能連續(xù)做試驗(yàn)，特別是硅橡膠，必需降至室溫半小時(shí)以上才能下一次試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，如假設(shè)移開電熱板，就先關(guān)閉電源。移開熱圓筒時(shí)，手應(yīng)拿住固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以免燙傷手。數(shù)字電壓表數(shù)字消滅不穩(wěn)定時(shí)先查熱電偶及各個(gè)環(huán)節(jié)的接觸是否良好。儀器使用時(shí),應(yīng)避開四周有猛烈磁場(chǎng)源的地方。試驗(yàn)完畢后，切斷電源，保管好測(cè)量樣品。不要使樣品兩端劃傷，以至影響試驗(yàn)的精度。儀器長時(shí)間不使用時(shí)，請(qǐng)?zhí)咨纤芰洗?，防止潮濕空氣長期與儀器接觸。房間80%。儀器在搬運(yùn)及放置時(shí)，應(yīng)避開猛烈振動(dòng)和受到撞擊。長期放置不用后再次使用時(shí)，請(qǐng)先加電預(yù)熱30min后使用?！瞞V〕溫表9-1 〔mV〕溫0123456789度℃-10-0.383-0.421-0.458-0.496-0.534-0.571-0.608-0.646-0.683-0.720-00.000-0.039-0.077-0.116-0.154-0.193-0.231-0.269-0.307-0.34500.0000.0390.0780.1170.1560.1950.2340.2730.3120.351100.3910.4300.4700.5100.5490.5890.6290.6690.7090.749200.7890.8300.8700.9110.9510.9921.0321.0731.1141.155301.1961.2371.2791.3201.3611.4031.4441.4861.5281.569401.6111.6531.6951.7381.7801.8821.8651.9071.9501.992502.0352.0782.1212.1642.2072.2502.2942.3372.3802.424602.4672.5112.5552.5992.6432.6872.7312.7752.8192.864702.9082.9532.9973.0423.087301313.1763.2213.2662.312803.3573.4023.4473.4933.5383.5843.6303.6763.7213.767903.8133.8593.9063.9523.9984.0444.0914.1374.1844.2311004.2774.3244.3714.4184.4654.5124.5594.6074.6544.7011104.7494