瞬態(tài)平面熱源法測(cè)試材料熱導(dǎo)率的影響因素分析

孟飛燕 張 玫 馬億珠 邱躍龍

(國(guó)家建筑裝修材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，河南 鄭州 450004)

0 前言

瞬態(tài)平面熱源法(TPS)［1］是由瑞典Chalmer 理工大學(xué)的Gustafsson 教授［2］在瞬態(tài)熱線法和瞬態(tài)熱帶法的基礎(chǔ)上首先提出來的，該方法也被稱為“Gustafsson”探頭法或Hot Disk法?？捎糜诠腆w、粉末、液體、涂層、薄膜、各向異性材料等的測(cè)定。在過去20年中，瞬態(tài)平面熱源技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于各種不同類型材料的熱導(dǎo)率的測(cè)試。但國(guó)內(nèi)對(duì)這種方法的研究只是簡(jiǎn)要的說明測(cè)試方法和原理，在儀器的檢測(cè)精度方面未作深度的分析。因此，本文采用TPS 技術(shù)對(duì)常見的材料(礦棉板、EPS 泡沫板、不銹鋼塊)進(jìn)行了測(cè)試，研究了含水率、樣品厚度、不同的測(cè)試環(huán)境(溫度、濕度)等對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

TPS-2500 Hotdisk 熱常數(shù)分析儀，其工作系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)自動(dòng)收集、分析和顯示系統(tǒng)，此系統(tǒng)包含實(shí)驗(yàn)操作軟件和與相對(duì)應(yīng)溫度函數(shù)模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果瞬態(tài)曲線的分析。

1.2 試驗(yàn)方法

在測(cè)試材料的熱導(dǎo)率時(shí)，探頭夾于兩塊樣品之中(固體)或浸沒其中(粉末、液體)。在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，探頭的阻值變化將被一一記錄下來，基于阻值的大小系統(tǒng)建立起測(cè)試期間探頭所經(jīng)歷的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。

1.3 試驗(yàn)條件

1.3.1 測(cè)試前需將探頭和試樣在測(cè)試環(huán)境中放置2～3個(gè)小時(shí)，使探頭和試樣與測(cè)試環(huán)境達(dá)到相同的溫度，以保證測(cè)試過程中試樣只與探頭發(fā)生熱量交換，即保證探頭的加熱作用是引起試樣溫度變化的唯一因素。

1.3.2 在測(cè)試前一個(gè)小時(shí)將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)打開，使之穩(wěn)定，以減少系統(tǒng)本身因素而引起的誤差。

1.3.3 測(cè)量時(shí)間:一般是總的測(cè)量時(shí)間的50%到100%。

1.3.5 探頭半徑r0一般滿足1.1r0≤△P ≤2r0，即可認(rèn)為選擇的探頭是合適的。

1.3.6 對(duì)于熱導(dǎo)率較小的材料選取低的輸出功率和較長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間，而對(duì)于熱導(dǎo)率較大的材料選取高的輸出功率和較短的測(cè)試時(shí)間。

1.4 試驗(yàn)方案

1.4.1 方案一:含水率對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

含水率對(duì)材料的熱導(dǎo)率有很大的關(guān)系，本方案測(cè)試了不同含水率的礦棉板來確定含水率對(duì)材料熱導(dǎo)率的影響。

將試樣烘干至恒重，測(cè)試其質(zhì)量，然后將其放入高濕箱中直至吸水飽和，測(cè)試質(zhì)量和熱導(dǎo)率;讓試樣在自然狀態(tài)下蒸發(fā)水分，每隔一定時(shí)間對(duì)測(cè)試其質(zhì)量和熱導(dǎo)率，從而得出不同質(zhì)量含水率條件下材料的熱導(dǎo)率。

1.4.2 方案二:樣品厚度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

同一樣品尺寸大小不同，可能會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，本方案采用不同尺寸的EPS 泡沫板研究對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生的影響。

測(cè)試條件:室溫環(huán)境，探頭5501，8563。加熱功率0.005W，測(cè)試時(shí)間40S，測(cè)試前樣品經(jīng)過20℃，50%調(diào)溫調(diào)濕處理48h。

1.4.3 方案三:測(cè)試環(huán)境對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

不同的測(cè)試環(huán)境(溫度、濕度)會(huì)對(duì)測(cè)量測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，本方案中選擇了Hotdisk 公司提供的不銹鋼塊(SIS2343)以不同的溫濕度來確定這些因素對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響。

試樣和探頭置于恒溫恒濕箱中，調(diào)節(jié)狀態(tài)。先固定濕度:溫度從10℃、20℃、30℃、40℃、50℃變化，測(cè)試材料的熱導(dǎo)率。然后固定溫度:濕度從40%、45%、50%、55%、60%、65% 變化，測(cè)試材料的熱導(dǎo)率。測(cè)試前試樣要在此環(huán)境條件下保持至狀態(tài)恒定后進(jìn)行測(cè)試。注每一狀態(tài)下的熱導(dǎo)率為10 次測(cè)量的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 方案一試驗(yàn)結(jié)果

圖1 含水率與熱導(dǎo)率的關(guān)系

2.2 方案二試驗(yàn)結(jié)果

圖2 試樣厚度對(duì)測(cè)試結(jié)果影響

2.3 方案三試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)果分析

3.1 含水率與熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果的關(guān)系

從圖1 中可以看出隨著礦棉板含水率的增加，其熱導(dǎo)率也逐漸增大，這可能是由于水分進(jìn)入礦棉板內(nèi)部，一部分填充了礦棉板的內(nèi)部空隙，使熱傳導(dǎo)更加的容易造成的。因此，由于含水率對(duì)材料的熱導(dǎo)率影響很大，我們?cè)跍y(cè)試過程中要盡可能的標(biāo)明材料的含水率。

3.2 樣品厚度與熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果的關(guān)系

從圖2 中我們可以看出試樣厚度為20mm～50mm 時(shí)，試樣厚度對(duì)熱導(dǎo)率的測(cè)試基本上沒有影響，這是TPS 測(cè)試原理決定的，TPS 在測(cè)試過程中需要在產(chǎn)生的熱量到達(dá)被測(cè)試樣的外邊界前結(jié)束，要滿足探測(cè)深度，有經(jīng)驗(yàn)公式1.1r0≤△P ≤2r0，當(dāng)我們選擇的5501 探頭r0= 6.403 滿足上述條件，在這種情況下樣品的厚度對(duì)測(cè)試結(jié)果是沒有影響的。當(dāng)樣品厚度為10mm 時(shí)不能滿足上述條件，所以所得到的數(shù)據(jù)是不可信的，與真實(shí)值相差很遠(yuǎn)。測(cè)試過程中一定要根據(jù)探測(cè)深度選擇合適的探頭，才能使檢測(cè)結(jié)果接近真實(shí)值。

3.3 測(cè)試環(huán)境與熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果的關(guān)系

從圖3、圖4 中我們可以看出，溫度和濕度對(duì)測(cè)試結(jié)果有很大的影響。溫度升高，不銹鋼的熱導(dǎo)率升高;而濕度增大對(duì)不銹鋼的熱導(dǎo)率影響則不大。

因此，在測(cè)試過程中要嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)室的溫濕度，必要時(shí)要有溫濕度的詳細(xì)記錄，樣品要經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)溫調(diào)濕處理后進(jìn)行測(cè)試。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過試驗(yàn)分析研究了含水率、樣品厚度、不同的測(cè)試環(huán)境(溫度、濕度)等因素對(duì)材料熱導(dǎo)率測(cè)試的影響，可得出以下結(jié)論。

(1)試樣的含水率對(duì)測(cè)試結(jié)果影響很大，樣品在儲(chǔ)存和測(cè)試過程中要滿足所要達(dá)到的狀態(tài)。

(2)被測(cè)樣品的厚度要滿足測(cè)試的要求，要始終大于探頭的探測(cè)深度，使探頭產(chǎn)生的熱量到達(dá)被測(cè)試樣的外邊界前結(jié)束，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度。

(3)溫濕度對(duì)有些材料的影響很大，在測(cè)試過程中要注明測(cè)試時(shí)的溫濕度情況，并且注明材料是否經(jīng)過調(diào)溫調(diào)濕處理，試樣的狀態(tài)等。

［1］S.E.Gustafsson.Transient Plane Source Techniques for Thermal Conductivity and Thermal Diffusivity Measurements of Solid Materials［J］.Rev.Sci.Instrum.1991，62(3):797-804

［2］S.E.Gustafsson.Transient Hot-Strip Method for Simultaneously Measuring Thermal Conducting and Thermal Diffusivity of Solids and Fluids［J］.J.Appl.Phys.1979，12:1411-1422