材料導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

劉素霞++范秀風(fēng)++張利文++陳義勝++張力++羅龍

【摘要】導(dǎo)熱系數(shù)是描述材料熱傳導(dǎo)性最為重要的熱物性參數(shù)，應(yīng)用特別廣泛，但是熱傳導(dǎo)原理較為抽象，難于將理論應(yīng)用于實(shí)踐。材料導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)涵蓋了熱傳導(dǎo)原理、實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果分析，初步探討了以激光閃射法為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，將理論應(yīng)用于實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，為以后工作測(cè)試及科學(xué)研究服務(wù)。

【關(guān)鍵詞】導(dǎo)熱系數(shù) ?實(shí)驗(yàn) ?教學(xué)

【課題項(xiàng)目】?jī)?nèi)蒙古大型科學(xué)儀器開(kāi)放共享試點(diǎn)建設(shè)。

【中圖分類號(hào)】N45 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）35-0207-01

導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)是描述材料熱傳導(dǎo)性最為重要的熱物性參數(shù)，其廣泛的應(yīng)用于建筑材料、陶瓷材料、金屬材料、復(fù)合材料、涂層材料、保溫材料、高分子材料等多個(gè)領(lǐng)域。如：肖建莊等通過(guò)測(cè)量混凝土導(dǎo)熱系數(shù)考察了包括骨料體積分?jǐn)?shù)、水灰比、骨料類型、外摻料摻量、溫度等因素對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響[1];呂兆華針對(duì)泡沫型多孔介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試一致性研究，結(jié)果表明熱輻射在多孔介質(zhì)傳熱中有重要作用[2];孟春玲等提出了一種米飯導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法，為自熱食品的后續(xù)研究提供基礎(chǔ)和理論依據(jù)[3]。

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)是無(wú)機(jī)非金屬材料專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，目前實(shí)驗(yàn)還不完善。導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試方法有很多種，結(jié)合教學(xué)資源，采用激光閃射法測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程。激光閃射法（LFA）是一種快速靈活的測(cè)量方法，近年來(lái)發(fā)展十分迅速，不僅能精確地直接測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù)，也可通過(guò)比熱的測(cè)量或輸入進(jìn)一步計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅可以讓學(xué)生將熱傳導(dǎo)理論應(yīng)用于實(shí)踐，還可以了解激光導(dǎo)熱儀（LFA）的測(cè)量原理及操作技術(shù)，為以后工作測(cè)試及科學(xué)研究服務(wù)。

一、導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）通過(guò)講解讓學(xué)生了解材料熱傳導(dǎo)的原理、分類、測(cè)試方法及導(dǎo)熱系數(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用。

（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)演示，讓學(xué)生了解激光導(dǎo)熱儀的工作原理，及簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)操作步驟及注意事項(xiàng)。

（3）通過(guò)舉例分析，讓學(xué)生理解材料熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱及密度（膨脹量）之間的關(guān)系，學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析。

2.實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)備

材料的導(dǎo)熱性能測(cè)試方法很多，大體可分為穩(wěn)態(tài)法與瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法測(cè)量材料的溫度范圍與導(dǎo)熱系數(shù)范圍較窄， 主要適用于在中等溫度下測(cè)量中低導(dǎo)熱系數(shù)材料。瞬態(tài)法測(cè)量的溫度范圍較為寬廣， 尤其適合于高導(dǎo)熱系數(shù)材料以及高溫下的測(cè)試。激光閃射法（LFA）屬于瞬態(tài)法，應(yīng)用特別廣泛，包括陶瓷、玻璃、金屬、熔融物、液體、粉末、纖維與多層材料等各種材料，從低導(dǎo)熱材料直至最高導(dǎo)熱系數(shù)的金剛石，都可在相同的速度與精度下進(jìn)行測(cè)量。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備是德國(guó)耐弛額激光導(dǎo)熱儀 LFA 427，可測(cè)量基片上金屬、陶瓷、聚合物薄膜的熱物性參數(shù)，如熱擴(kuò)散系數(shù)、熱導(dǎo)率、吸熱系數(shù)和界面熱阻等。測(cè)量的溫度范圍為RT（室溫）-1650 ℃;升降溫速率為0.01-50 ℃/min;激光能量為25 J/pulse;樣品直徑為12.3-12.7 mm;樣品厚度為0.1-4 mm。

激光導(dǎo)熱儀的工作原理如下：在爐體控制的一定溫度下，由激光源發(fā)射光脈沖均勻照射在樣品下表面，使試樣均勻加熱，通過(guò)紅外檢測(cè)器連續(xù)測(cè)量樣品正面的溫度隨時(shí)間變化，得到溫度（ 檢測(cè)器信號(hào)） 升高和時(shí)間的關(guān)系曲線（圖1）。

圖1 ?激光導(dǎo)熱儀原理與激光信號(hào)圖

熱量在樣品內(nèi)部的傳導(dǎo)過(guò)程為理想的由下表面至上表面的一維傳熱，不存在橫向熱流，且外部測(cè)量環(huán)境為理想的絕熱條件，則通過(guò)半升溫時(shí)間t1/2[在接收光脈沖照射后樣品上表面溫度（檢測(cè)器信號(hào)）升高到最大值的一半所需要的時(shí)間]，由修正公式1直接得出樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)。

？琢=0.1388×?公式1

式中：？琢為熱擴(kuò)散系數(shù)，mm2/s;d為材料的厚度。

在已知溫度下的熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱與密度的情況下便可計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)。密度一般在室溫下測(cè)量，其隨溫度的變化可使用線膨脹系數(shù)表進(jìn)行修正;比熱可使用文獻(xiàn)值、可使用 DSC 等方法測(cè)量，也可在 LFA 中使用比較法與熱擴(kuò)散系數(shù)同時(shí)測(cè)得。如公式2所示：

？姿=？琢×？籽×Cp 公式2

式中：？姿為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）;Cp 為比熱，J/（g·K）;？籽為密度，g/cm3。

3.操作步驟

（1）試樣的準(zhǔn)備：

a.樣品要求：直徑為6mm，厚度為2-4mm的圓柱體。

b.多次測(cè)量樣品的厚度，取平均值。

c.對(duì)于高反射或透明樣品，需在樣品兩個(gè)表面噴碳和噴金。

（2）測(cè)試步驟

a.在紅外檢測(cè)器內(nèi)注入液氮，30分鐘后檢測(cè)器穩(wěn)定。

b.打開(kāi)測(cè)量電源，打開(kāi)路子加熱單元電源，打開(kāi)恒溫水?。ㄔO(shè)定溫度比室溫高2-3度） ，打開(kāi)激光電源單元。

c.開(kāi)機(jī)后調(diào)節(jié)吹掃氣輸出壓力及等待流速穩(wěn)定。

d.打開(kāi)爐子，裝樣，關(guān)閉爐子。

e.抽真空后，充入保護(hù)氣體，反復(fù)三次。

f.打開(kāi)計(jì)算機(jī)測(cè)量軟件，設(shè)定測(cè)量參數(shù)，開(kāi)始測(cè)量。

4.結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)樣品為氧化釔陶瓷材料，升溫速率為10℃/min，溫度點(diǎn)取200℃、400℃、600℃、800℃;每個(gè)溫度點(diǎn)取3個(gè)值。測(cè)試結(jié)果為陶瓷材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，為了得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)還需進(jìn)行比熱測(cè)試。比熱測(cè)試也可采用激光導(dǎo)熱儀進(jìn)行測(cè)試，參比樣品為石墨樣品，測(cè)試條件與陶瓷材料一致，通過(guò)對(duì)比石墨樣品比熱數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)出測(cè)試樣品比熱。材料密度可根據(jù)熱膨脹實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正。最后根據(jù)熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱及膨脹量推算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

以陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)為例，讓學(xué)生了材料熱傳導(dǎo)過(guò)程，明確解激光電壓、脈沖寬度、放大增益、采樣時(shí)間、半升溫時(shí)間、材料熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱、膨脹量、導(dǎo)熱系數(shù)的概念及相互關(guān)系;理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程、關(guān)鍵環(huán)節(jié)及注意事項(xiàng)，學(xué)會(huì)如何用熱傳導(dǎo)原理分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為今后的工作測(cè)試、科研研究服務(wù)。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)涉及熱傳導(dǎo)、激光閃射法的原理、激光導(dǎo)熱儀的實(shí)踐操作及結(jié)果分析，將熱傳導(dǎo)理論應(yīng)用于實(shí)例，使理論不再抽象，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，還可以為以后的工作測(cè)試、科學(xué)研究提供測(cè)試手段和理論支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖建莊，宋志文，張楓.混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)與分析[J].建筑材料學(xué)報(bào).2010（02）：17-21.

[2]呂兆華.泡沫型多孔介質(zhì)等效導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào).2001 （118）：257 -261.

[3]孟春玲，劉廣偉，梁韜，趙秀華，李彤.米飯導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法的研究[J].食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào).2015：67-73.