DRXL-I導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀

使用說(shuō)明書(shū)

北京同德創(chuàng)業(yè)科技有限公司  

  

一、 概述

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)材料的熱學(xué)特性的依據(jù)，而且是材料在應(yīng)用時(shí)的一個(gè)設(shè)計(jì)依據(jù)，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)。因?yàn)椴牧系臒釋?dǎo)率不僅隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)變化都會(huì)明顯影響熱導(dǎo)率的數(shù)值，所以在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中對(duì)材料的熱導(dǎo)率常用實(shí)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(lèi)。本測(cè)試儀采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其設(shè)計(jì)思路清晰、簡(jiǎn)捷、實(shí)驗(yàn)方法具有典型性和實(shí)用性。測(cè)量物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)是熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要內(nèi)容。

本測(cè)試儀由加熱器、數(shù)顯溫度表、數(shù)顯計(jì)時(shí)器等組成（采用一體化設(shè)計(jì)）

二、 主要技術(shù)指標(biāo)

1、 電源：AC（220±10%）V，（50/60）HZ

2、 數(shù)字溫度表：測(cè)量精度：0.2%±1個(gè)字.

3、 數(shù)字計(jì)時(shí)秒表:計(jì)時(shí)范圍: 0～100min;zui小分辨率1S;精度:10-5

4、 測(cè)量溫度范圍:室溫～500℃(zui高加熱溫度550℃)

5、 加熱電壓: 36VAC

6、 散熱銅板:半徑:65mm 厚度:7mm 質(zhì)量:815g(以上的參數(shù)已在每一塊銅板上標(biāo)注,以上提供的僅為參考值)

7、 測(cè)試材料:硬鋁、橡皮、空氣等

8、 連續(xù)工作時(shí)間：＞8小時(shí)

三、 儀器維護(hù)與保養(yǎng)

1、 使用前將加熱盤(pán)與散熱盤(pán)的表面擦干凈。樣品兩端面擦凈，可涂上少量導(dǎo)熱硅油。以保證接觸良好。

2、 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，裝樣、卸樣請(qǐng)注意熱面溫度，以免燙傷手。

3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，切斷電源，保管好測(cè)量樣品。不要使樣品兩端劃傷，以至影響實(shí)驗(yàn)的精度。數(shù)字溫度表數(shù)字出現(xiàn)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。

4、 儀器在搬運(yùn)及放置時(shí)，應(yīng)避免強(qiáng)烈振動(dòng)和受到撞擊。

5、 儀器長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)，請(qǐng)?zhí)咨纤芰洗?，防止潮濕空氣長(zhǎng)期與儀器接觸。房間內(nèi)空氣濕度應(yīng)小于80%。

6、 儀器使用時(shí)，應(yīng)避免周?chē)袕?qiáng)烈磁場(chǎng)源的地方。

7、 長(zhǎng)期放置不用后再次使用時(shí)，請(qǐng)先加電預(yù)熱30min后使用。

四、 成套清單

1、DRXL-1導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀             1臺(tái)

2、電源線                             1根

3、測(cè)試樣品（硬鋁、橡皮、膠木）       1組

4、使用說(shuō)明書(shū)                         1份

5、產(chǎn)品合格證                         1份

6、計(jì)算軟件                           1份

五、    售后服務(wù)

在用戶(hù)遵守保管和使用規(guī)則的條件下，從發(fā)貨之日起十二個(gè)月內(nèi)因產(chǎn)品質(zhì)量不良而發(fā)生損壞或不能正常工作時(shí)，制造廠應(yīng)無(wú)償?shù)貫橛脩?hù)修理或更換零部件。

                          導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量

導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）是反映材料熱性能的物理量，導(dǎo)熱是熱交換三種（導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射）基本形式之一，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)研究領(lǐng)域的課題之一，要認(rèn)識(shí)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(lái)自固體物理的實(shí)驗(yàn)。材料的導(dǎo)熱機(jī)理在很大程度上取決于它的微觀結(jié)構(gòu)，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，在緣體和大部分半導(dǎo)體中則以晶格振動(dòng)起主導(dǎo)作用。因此 ，材料的導(dǎo)熱系數(shù)不僅與構(gòu)成材料的物質(zhì)種類(lèi)密切相關(guān)，而且與它的微觀結(jié)構(gòu)、溫度、壓力及雜質(zhì)含量相聯(lián)系。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)作工程設(shè)計(jì)中所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)都需要用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定。（粗略的估計(jì)，可從熱學(xué)參數(shù)手冊(cè)或圖表中查尋）

1882年法國(guó)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)定律基礎(chǔ)之上，從測(cè)量方法來(lái)說(shuō)，可分為兩大類(lèi)：穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法，本實(shí)驗(yàn)采用的是穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

[實(shí)驗(yàn)原理]

為了測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，先從熱導(dǎo)率的定義和它的物理意義入手。熱傳導(dǎo)定律指出：如果熱量是沿著Z方向傳導(dǎo)，那么在Z軸上任一位置Z0處到一個(gè)垂直截面積dS（如圖1）以表示在Z處的溫度梯度，以表示在該處的傳熱速度（單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)截面積dS的熱量），那么傳導(dǎo)定律可表示成：

dQ= - λ（）Z0dS·dt            （SI-1）

式中的負(fù)員表示熱量從高溫區(qū)傳導(dǎo)（即熱傳導(dǎo)的方向與溫度梯度的方向相反）。式中比例系數(shù)λ即為一個(gè)單位的情況下，單位時(shí)內(nèi)垂直通過(guò)單位面積截面的熱量。

利用（S1-1）式測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ，需解決的關(guān)鍵問(wèn)題兩個(gè)：一個(gè)是在材料內(nèi)造成一個(gè)溫度梯度并確定其數(shù)值；另一個(gè)測(cè)量材料內(nèi)由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速率。

1、 關(guān)于溫度梯度

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，并把夾在兩塊良導(dǎo)體---銅板之間（圖2）使兩塊銅板分別保持在恒定溫度T1和T2，就可能在垂直于樣品表面的方向上形成溫度的梯度分布。樣品厚度可做成h<<D（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)面散去的熱量可以忽略不計(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，在達(dá)到平衡時(shí)，可以認(rèn)為同一銅板各處的溫度相同，樣品內(nèi)同一平行平面上各處的溫度也相同。這樣只要測(cè)出樣品的厚度h和兩塊銅板的溫度T1、T2，就可以確定樣品內(nèi)的溫度梯度度當(dāng)然這需要銅板與樣品表面的緊密接觸，無(wú)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。

為了保證樣品中溫度場(chǎng)的分布具有良好的對(duì)稱(chēng)性，把樣品及兩場(chǎng)銅板都加工成等大的圓形。

2、 關(guān)于傳熱速率

單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)一截面積的熱量是一個(gè)無(wú)法直接測(cè)定的量，我們?cè)O(shè)法將這個(gè)量轉(zhuǎn)化為較為容易測(cè)量的量，為了維持一個(gè)恒定的溫度梯度分布，必須不斷地給高溫側(cè)銅板加熱，熱量通過(guò)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周?chē)h(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)就達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，稱(chēng)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下散熱的速率，也就間接測(cè)量出了樣品內(nèi)的傳熱速率。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，銅板的散熱速率與共冷卻速率（溫率變化率）有關(guān)，其表達(dá)式為

T2 = - mc|T2           （S1-2）

式中的n為銅板的質(zhì)量，C為銅板的比熱容，負(fù)號(hào)表示熱量向低溫度方向傳遞。因?yàn)橘|(zhì)量容易直接測(cè)量，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：在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，移去樣品，用加熱不鎊鋼板直接對(duì)下金屬銅板加熱，使其的溫率高于穩(wěn)定T2（大約高出10℃左右）再讓其在環(huán)境中自然冷卻，直到溫度低于T2，測(cè)出溫度在大于T2到小于T2區(qū)間中隨時(shí)間的變化關(guān)系，描繪出T---t曲線，曲線在T2處的斜率就是銅板在穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)T2下的冷卻速率。

應(yīng)該注意的是，這樣得出的是在銅板全部表面暴露于空氣中的冷卻速率，其散熱面積為2πRp2+2πRphp（其中Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度）然而在實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，銅板的上表面（面積為πRp2）是樣品覆蓋的，由于物體的散熱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     πRp2+2πRphp

--- = -mc ---- ·--------------     （S1-3）

dt         dt     2πRp2+2πRphp

根據(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ds=πR2可以得到導(dǎo)熱系數(shù)：

     

   2hp+Rp       1        h       dT

λ= -mc---------·--------·------·-----|T = T2  (S1-4)

        2hp+2Rp     πR2      T1-T2     dt

式中的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、Rp和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。

[實(shí)驗(yàn)步驟]

1、 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，多次測(cè)量、然后取平均值。其中銅板的比熱容C=0.385KJ/(K.Kg)

2、 先放置好待測(cè)樣品及下銅板（散熱盤(pán)），調(diào)節(jié)下圓盤(pán)托架上的三個(gè)微調(diào)螺絲，使待測(cè)樣品與上下銅板接觸良好。熱電偶插入銅盤(pán)上的小孔時(shí)，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，使熱電偶測(cè)溫端與銅盤(pán)接觸良好。

3、  溫度表控制升溫步驟：

（一）設(shè)置程序：按“←”鍵一下即放開(kāi)，儀表就進(jìn)入設(shè)置程序狀態(tài)。儀表先顯示的是當(dāng)前運(yùn)行段起始給定值，可按“←”、“↓”和“↑”鍵修改數(shù)據(jù)。按“）”鍵則顯示下一要設(shè)置的程序值，每段程序按“時(shí)間-給定值-時(shí)問(wèn)-給定值”的順序依次排列。按“←”鍵并保持不放2秒以上，返回設(shè)置上一數(shù)據(jù)，先按“←”鍵再接著按“）”鍵可退出設(shè)置程序狀態(tài)。在程序運(yùn)行時(shí)也可修改程序。在運(yùn)行中，在恒溫段如果改變給定值，則要同時(shí)修改當(dāng)前段給定值和下一段給定值，如果要增加或縮短保溫時(shí)間，則可增加或減少當(dāng)前段的段時(shí)間。在升降溫段如果有改變升降溫斜率，可根據(jù)需要改變段時(shí)間，當(dāng)前段給定溫度和下一段的給定溫度。例如：C01=開(kāi)始實(shí)測(cè)溫度，T01=（實(shí)驗(yàn)溫度-開(kāi)始實(shí)測(cè)溫度）/升溫速率，C02=實(shí)驗(yàn)溫度，T02=恒溫時(shí)間（可設(shè)8000），C03=實(shí)驗(yàn)溫度，T03=-121。

（二）運(yùn)行：如果程序處于停止?fàn)顟B(tài)（下顯示器交替顯示“stop”），按“↓”鍵并保持2秒鐘，儀表下顯示器將顯示“run”的符號(hào)，則儀表開(kāi)始運(yùn)行程序。

（三）停止程序運(yùn)行：如果程序處于運(yùn)行狀態(tài)，按“↑”鍵并保持2秒鐘，儀表下顯示器將顯示“stop”的符號(hào)，此時(shí)儀表進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。 (參照智能溫度控制器使用說(shuō)明書(shū))。

（四）合上“加熱開(kāi)關(guān)”，對(duì)上不銹鋼板進(jìn)行加熱。

4、 上不銹鋼板加熱到設(shè)定溫度時(shí)，（1）觀察上不銹鋼板的溫度。當(dāng)上不銹鋼板的溫度保持不變時(shí)（可通過(guò)加熱板溫度顯示來(lái)觀測(cè)），記錄下此時(shí)上不銹鋼板的溫度（T1），在不斷地給高溫側(cè)不銹鋼板（上不銹鋼板）加熱，熱量通過(guò)樣品不斷地傳到低溫側(cè)銅塊（下銅塊），經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，當(dāng)下銅板的溫度基本不變時(shí)，記錄下此時(shí)下銅板的散熱板溫度值（T2）。此時(shí)則可認(rèn)為已達(dá)到了穩(wěn)態(tài)。（大約在五分鐘內(nèi)下銅板的溫度保持不變）

5、移去樣品，繼續(xù)對(duì)下銅板加熱，當(dāng)下銅盤(pán)溫度比T2高出10℃左右時(shí)（高溫時(shí)要多些），移試樣架，讓下銅盤(pán)所有表面均暴露于空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30秒讀一次下銅盤(pán)的溫度示值并記錄，直至溫度下降到T2以下一定值。作銅板的T-t冷卻速率曲線。（選取鄰近的T2測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)求出冷卻速率）。

6、 根據(jù)（S1-4）計(jì)算樣品的導(dǎo)熱系數(shù)λ，或數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)計(jì)算。

7、 設(shè)置上不銹鋼板不同的加熱溫度，在設(shè)定加熱溫度時(shí)，須高出室溫30℃。設(shè)定不同的加熱溫度，測(cè)量出不同溫度下樣品的導(dǎo)熱系數(shù)λ。

[實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)] 

1、 穩(wěn)態(tài)法測(cè)量時(shí)，要使溫度穩(wěn)定約要40分鐘左右，同時(shí)每隔30秒記下樣品上、下圓盤(pán)A和P的溫度T1和T2的數(shù)值，待T2的數(shù)值在2分鐘內(nèi)不變即可認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記下此時(shí)的T1和T2值。

2、 測(cè)金屬（或陶瓷）的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，T1、T2值為穩(wěn)態(tài)時(shí)金屬樣品上下兩個(gè)面的溫度，此時(shí)散熱盤(pán)P的溫度為T(mén)3。因此測(cè)量P盤(pán)的冷卻速率應(yīng)為：

△T                    △T            h       1

------- |T=T3  ∴λ= mc ----- |T=T3·-------·-----

△t                    △t          T1-T2    πR2

測(cè)T3值時(shí)要在T1、 T2達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，將上面測(cè)T1和T2的熱電偶移下來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

3、 圓筒發(fā)熱體盤(pán)側(cè)面和散熱盤(pán)P側(cè)面，都有供安插熱電偶的小孔，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，。

4、 樣品圓盤(pán)B和散熱盤(pán)P的幾何尺寸，可用游標(biāo)尺多次測(cè)量取平均值。散熱盤(pán)的質(zhì)量m約0.8Kg，可用藥物天平稱(chēng)量。

附錄一：部分材料的密度和導(dǎo)熱數(shù)

附錄二：導(dǎo)熱系數(shù)單位換算

DRXL-Ⅰ導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀制樣附加說(shuō)明

材料的范疇很廣，有金屬和非金屬、均質(zhì)的和非均質(zhì)的、單體的和復(fù)合材料、液態(tài)、固態(tài)、粉料等，導(dǎo)熱系數(shù)范圍非常寬。通過(guò)制取不同形狀的試樣，利用DRXL導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試平臺(tái)，可檢測(cè)大部分材料。

高導(dǎo)熱材料的檢測(cè)方法：平板穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，主要是測(cè)量冷熱面溫差和熱流兩個(gè)參數(shù)量，儀器測(cè)量這兩參數(shù)量時(shí)，都有測(cè)量量程和精度的限制。通過(guò)制樣可使材料的冷熱面溫差和熱流都落在儀器的量程和精度范圍內(nèi)。在測(cè)量高導(dǎo)熱材料時(shí)，要減小熱流傳遞和提高冷熱面溫差。減小熱流可通過(guò)減小試樣的傳熱面積來(lái)獲得，提高冷熱面溫差可通過(guò)增加試樣厚度來(lái)獲得。試樣與冷熱板的接觸熱阻相對(duì)高導(dǎo)熱試樣熱阻是非常大的，測(cè)量時(shí)必須消除接觸熱阻。方法是在試樣測(cè)量面兩端打2個(gè)溫度測(cè)量孔，把測(cè)量冷熱板溫度的熱電偶插在試樣的溫度測(cè)量孔內(nèi)，這樣，測(cè)量的冷熱溫差值就不包含接觸熱阻形成的溫差了，試樣厚度數(shù)據(jù)要以試樣2個(gè)溫度測(cè)量孔的間距來(lái)計(jì)算。如果熱面溫度比環(huán)境溫度高很多，就要考慮試樣表面散熱，可在試樣表面包上保溫層。測(cè)量鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)制樣如下圖所示：

 

粉狀或膠狀材料的檢測(cè)方法：測(cè)量膠狀物時(shí)，要做一個(gè)圍框，裝樣時(shí)，裝滿(mǎn)并稍高于圍框邊。

粉狀料的緊實(shí)度與導(dǎo)熱系數(shù)有很大的關(guān)系，要考慮測(cè)量什么狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，測(cè)量自然狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，要做一個(gè)圍框，裝樣時(shí)，裝滿(mǎn)并稍高于圍框邊。

有些粉狀料通過(guò)壓機(jī)制樣，可測(cè)量不同緊實(shí)度下導(dǎo)熱系數(shù)。

粉狀料還可調(diào)粘結(jié)劑進(jìn)行測(cè)量。

 

薄試樣的檢測(cè)方法：非常薄的試樣可采用疊層的辦法進(jìn)行測(cè)量。

以上是特殊試樣的取樣方法，一般取樣是散熱板面積和一定厚度，導(dǎo)熱系數(shù)高的取厚一點(diǎn)，導(dǎo)熱系數(shù)低的取薄點(diǎn)。

總的規(guī)律是：導(dǎo)熱系數(shù)低的試樣取薄、面積大、冷熱溫差大，導(dǎo)熱系數(shù)高的試樣取厚、面積小、冷熱溫差小。