闪光法测不良导体热导率
不良导体导热系数的测定(绝对给力版)
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用闪光法测定不良导体的热导率
用以及使用注意事项后方可进行实验内容（2）。 (2) 调节光学系统：实验室已组装好光路的光学系统。 (a) 调节氙灯的三维微调架上有刻线，以便较快调节光学元件的共轴，使氙灯的电极中
∞
∑ V = 1 + 2 (−1)n ⋅ exp(−n2ω ). n=1
（5）
将（5）式作图表示，见图 2。
令V=1/2，求得ω=1.38。将对应的时间记为t1/2，可得扩散率 a=1.38L2/π2t1/2，
进而有热导率
（6）
λ=1.38ρL2/π2t1/2。
（7）
上述处理过程要满足的条件是：试样面积〉〉厚度，则侧面散热可忽略，可视为一维热
温度检测元件 试样
t1/2 ω=π2αtL2
图1
图2
方程（2）的解
∑ T (x, t)
=
Q ρcL
⎡ ⎢1 + ⎣
∞
2 cos
n=1
nπx L
⋅
sin(nπl / L) (nπl / L)
exp⎜⎜⎝⎛ −
n 2π L2
2
at ⎟⎟⎠⎞⎥⎦⎤ .
在试样背面 x= L 处温升可表示为
∑ T (L, t)
量为 Q 的脉冲在 t=0 时刻照射在试样表面（试样为薄片状，脉冲光沿垂直于圆面的轴线方向
辐照），且被试样均匀吸收，可以认为在距表面的微小距离 l 内样品温升为
T( x,0)=Q/ρcl （0<x<l）,
T( x,0)=0
（ l<x<L）,
(1)
其中 Q 为单位面积吸收的能量，L 为样品厚度（L<< l）。当试样周围热损很小以至可以忽略
试验9不良导体导热系数的测定
实验九 不良导体导热系数的测量导热系数(热导率)是反映材料热性能的物理量，导热是热交换三种（导热、对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题之一，要认识导热的本质和特征，需了解粒子物理而目前对导热机理的理解大多数来自固体物理的实验。
材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。
因此，材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系。
在科学实验和工程设计中所用材料的导热系数都需要用实验的方法测定。
（粗略的估计，可从热学参数手册或教科书的数据和图表中查寻）1882年法国科学家J•傅里叶奠定了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律基础之上，从测量方法来说，可分为两大类：稳态法和动态法，本实验采用的是稳态平板法测量材料的导热系数。
【实验目的】1．了解热传导现象的物理过程2．学习用稳态平板法测量材料的导热系数 3．学习用作图法求冷却速率4．掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法 【实验仪器】YBF-3导热系数测试仪、冰点补偿装置、测试样品（硬铝、硅橡胶、胶木板）、塞尺等 【实验原理】为了测定材料的导热系数，首先从热导率的定义和它的物理意义入手。
热传导定律指出：如果热量是沿着z 方向传导，那么在z 轴上任一位置0z 处取一个垂直截面积ds ，以dT dz 表示在z 处的温度梯度，以dQ dt表示在该处的传热速率（单位时间内通过截面积ds 的热量），那么传导定律可表示成： 0()z dTdQ ds dt dz λ=-⋅ （9-1） 式中的负号表示热量从高温区向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相反）。
（9-1）式中比例系数λ即为导热系数，可见热导率的物理意义：在温度梯度为一个单位的情况下，单位时间内垂直通过单位面积截面的热量。
不良导体的导热系数的测定
表2.5.2 平衡温度以及冷却时时间、温度记录
热平衡时，加热盘温度T 1
散热盘温度T 2
冷却过程中，数据记录如下：
t i (s)
Ti T T
2
t 15 t 10 t 5
t t 5
T
2
t 10 t 15
(℃)
表2.2
等精度数据
y1
y
2
y
3
y
n
x1
x
2
x3
x
x
n
n i
a y bx b x y xy (x ) x
实验2.5
不良导体导热系数的测定
背景知识
导热系数又称热导率，是表征物质热传导性质 的物理量，测定材料的导热系数在设计和制造加热 器、散热器、传热管道、冰箱、节能房屋等工程技 术及很多科学实验中都有非常重要的应用。
良导体:导热系数大、导热性能好的材料 不良导体:导热系数小、导热性能差的材料
约为不良导体的102～103倍，例如铜为4.0×102 W.m-1.K-1 橡胶为0.22 W.m-1.K-1
考虑到冷却速率还与散热面积成正比， 2.5.5式应 乘以面积因子进行修正，导热系数有
D4 h 4 c m h T （2.5.6） P p B 2 2 D4 h D ( TT ) tT T P p B 1 2 2
其中 D P 为下铜盘半径，hp为下铜 盘厚度
【
实 验 原 理
】
•傅里叶热传导方程
加热 后 S
h T2 图 2.5-1 均匀圆柱体
T 1 T 2 忽略导体的侧面无热量散失， 相同的时间内流过各截面的热 T1 量必然相等，这时整个导体呈 动态热稳定状态。
非良导体热导率的测量
非良导体热导率的测量【实验目的】了解热传导现象的物理过程，学习用稳态平板法测量非良导体的导热系数并用作图法冷却速率。
导热系数（又称热导率）是反映材料热性能的重要物理量，热传导是热交换的三种（热传导，对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题，材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则已晶格振动起主导作用。
在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。
【实验仪器】热导率测量实验装置、YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪1．热导率测量的实验装置如图1所示图１图２【实验原理】1882年法国科学家傅立叶建立了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅立叶热传导定律的基础之上。
测量的方法可以分为两大类：稳态法和瞬态法，本实验采用的是稳态平板法测量不良导体的导热系数。
当物体内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传递到低温处，这种现象被称为热传导。
傅立叶指出，在dt 时间内通过ds 面积的热量dQ ，正比于物体内的温度梯度，起比例系数是导热系数，即：ds dxdTdt dQ λ-= （1） 式中dtdQ 为传热速率，dx dT是与面积ds 相垂直的方向上的温度梯度，“—”号表示热量从高温区域传向低温区域，λ是导热系数，表示物体导热能力的大小，在SI 中λ的单位是w 11--⨯⨯K m 。
对于各向异性材料，各个方向的导热系数是不同的（常用张量来表示）。
如图3所示，设样品为一平板，则维持上下平面有稳定的21T T 和（侧面近似绝热），即稳态时通过样品的传热速率为dt dQ = λB BS h 21T T - （2） 式中B h 为样品厚度，B S =2B R π为上表面的面积，（21T T -）为上、下表面的温度差，λ为导热系数。
试验9不良导体导热系数的测定
实验九 不良导体导热系数的测量导热系数(热导率)是反映材料热性能的物理量，导热是热交换三种（导热、对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题之一，要认识导热的本质和特征，需了解粒子物理而目前对导热机理的理解大多数来自固体物理的实验。
材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。
因此，材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系。
在科学实验和工程设计中所用材料的导热系数都需要用实验的方法测定。
（粗略的估计，可从热学参数手册或教科书的数据和图表中查寻）1882年法国科学家J•傅里叶奠定了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律基础之上，从测量方法来说，可分为两大类：稳态法和动态法，本实验采用的是稳态平板法测量材料的导热系数。
【实验目的】1．了解热传导现象的物理过程2．学习用稳态平板法测量材料的导热系数 3．学习用作图法求冷却速率4．掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法 【实验仪器】YBF-3导热系数测试仪、冰点补偿装置、测试样品（硬铝、硅橡胶、胶木板）、塞尺等 【实验原理】为了测定材料的导热系数，首先从热导率的定义和它的物理意义入手。
热传导定律指出：如果热量是沿着z 方向传导，那么在z 轴上任一位置0z 处取一个垂直截面积ds ，以dT dz 表示在z 处的温度梯度，以dQ dt表示在该处的传热速率（单位时间内通过截面积ds 的热量），那么传导定律可表示成： 0()z dTdQ ds dt dz λ=-⋅ （9-1） 式中的负号表示热量从高温区向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相反）。
（9-1）式中比例系数λ即为导热系数，可见热导率的物理意义：在温度梯度为一个单位的情况下，单位时间内垂直通过单位面积截面的热量。
闪光法测不良导体热导率
闪光法测热导率一、实验目的1.测量不良导体的热导率。
2.了解一种测定材料热物性能参数的方法。
3.了解热物性参数测量中的基本问题。
4.学习正确使用高压脉冲光源和光路调节技术以及用计算机控制实验和采集、处理数据。
二、实验仪器闪光法热导仪三、实验原理1.傅里叶导热定理和热导率热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换过程为使问题简化, 假设样品为棒状, 热量沿一维传播; 在棒上取微元x→x+dx, 如图中所示. 根据Fourrier 导热定律, 单位时间内流过某垂直于热流方向, 面积为A 的热量, 即热流为:xT KA t q ∂∂⋅-=∂∂其中q 为热流, 表示等温面上沿温度降低方向单位时间内传递的热量; K 为热导率, 表示单位时间内在单位长度上温度降低1K 时, 单位面积上通过的热量;而在Δt 时间内通过截面A 流入小体积元dV=Adx 的热量为：， 而小体积元升高温度ΔT 所需要的热量为：t dx xTKA q ∆⋅⋅∂∂⋅=∆22t tTAdx c q ∆⋅∂∂⋅⋅=∆ρ'在无外界条件变化的情况下， 以上两式应当相等， 联立以上两式， 可以得到：， 并可以由此推知热流方程： 22x T K t T c ∂∂⋅=∂∂ρ022=∂∂⋅-∂∂xT D t T 其中D=K/cρ为热扩散率。
该热流方程的解将给出材料上各点温度随时间的变化， 解的具体形式还将取决于边界条件2.闪光法闪光法是给一个四周绝热、厚度为L 的薄圆片试样加一脉冲的电流加热热流，在另一方面测出的温度随时间的变化关系，确定热扩散率，从而计算出材料热导率的一种测量方法。
原理图如右所示:假设有一束能量为的脉冲光在Q 时照射在试样表面，且并试样均0=t 匀吸收，可以认为在距离表面的微小距离内试样升温为l ⎩⎨⎧<<=<<⋅⋅=)(0)0,()0(/)0,(L x l x T l x l c Q x T ρ并且， 如果以上式为边界条件的话，得到在试样背面处温度可以表示为⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+=∑∞=1222)exp()1(21),(n nDt L n cL Q t L T πρ且当时，达到最大，有，∞→t ),(t L T cl Q T M ρ=若定义：， ，则可以得到：MT t L T t L V ),(),(=22/L Dt πω=∑∞=-∙-+=12)exp()1(21n n n V ω作图如右所示：令，求得，对应的时间记为，可得热扩散率2/1=V 38.1=ω2/1t )/(38.12/122t L D π=从而有热导率)/(38.12/122t cL K πρ=四、实验内容1.认识和调节测量系统a)识测量系统：先不动手，认真仔细观察测量系统的每个部分韩博伦1200017630b)调节光学系统：实验室已组装好光路的光学系统。
非金属固体材料导热系数的测量
山东大学学生物理实验报告实验项目：不良导体导热系数测量方法及仪器完成人：韩益洪学号：201300181051学院：电气工程学院前言本文介绍了导热系数测量的基本理论与定义，热线法、激光法、动态测量法等几类测量方法的原理与应用，以及德国耐驰公司（NETZSCH）的相关仪器。
在某些应用场合，了解材料的导热系数，是测量其热物理性质的关键。
例如，耐火材料常被用作炉子的衬套，因为它们既能耐高温，又具有良好的绝热特性，可以减少生产中的能量损耗。
航天飞机常使用陶瓷瓦作挡热板。
陶瓷瓦能承受航天飞机回到地球大气层时产生的高温，有效防止航天器内部关键部件的损坏。
在现代化的燃气涡轮电站，涡轮的叶片上的陶瓷涂层（如稳定氧化锆）能保护金属基材不受腐蚀，降低基材上的热应力。
有效的散热器能保护集成电路板与其它电子设备不受高温损坏，散热材料已经成为微电子工业领域关键材料。
在过去的几十年里，已经发展了大量的导热测试方法与系统。
然而，没有任何一种方法能够适合于所有的应用领域，反之对于特定的应用场合，并非所有方法都能适用。
要得到准确的测量值，必须基于材料的导热系数范围与样品特征，选择正确的测试方法。
1.热线法测量不良导体导热系数用热线法测量不良导体导热系数是一种广泛使用的方法，国家对此制定了标准——“非金属固体材料导热系数的测定——热线法”（GB/T 10297-1998）。
基本原理如图1所示，在匀质均温的物体内部放置一电阻丝，即热线，对其以恒定功率加热时，热线及其附近试样的温度将随时间变化。
根据时间与温度的变化关系，可以确定该试样的导热系数。
[1] [原理简述]由热传导理论[2]可知，恒定功率的热线对匀质物体进行热传导时，可以用一维柱坐标系的热传导方程对物体的温度场进行描述：（1）边界条件为：根据热传导方程和边界条件得到：其中各物理量含义为，t：热线的加热时间，单位为s；r：距热线的距离，单位为m；q：热线单位长度的加热功率，单位为W/m；：加热时间t，距离热线距离r处的温升，单位为K；α：试样的热扩散率，单位为m2/s；λ：试样的导热系数，单位为W/（m·K），对于非金属固体材料，该系数一般小于2 W/（m·K）。
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7.8505
3.瓷砖密度测量：
类型
数据
注：由于瓷砖背面并未平滑，而是有着数条交错条纹，最后三组为条纹最厚处测得。显然，条纹最厚处已经超过元厚度的15%，但其较厚的区域所占面积不超过正常厚度所占面积的5%。因此所带入的误差不超过1%。在这里，我们使用的是正常厚度和条纹厚度的加权平均值，并在误差评估中引入 的测量误差。
4.初始温度为在脉冲后曲线平滑位置的温度，初始时间为改点的时间。
5.散热修正必须进行的原因是，当样品受光侧将热量向背侧传导的同时，背侧向外界散发热量，这会导致背侧热电偶测得的温度值并非准确地表达了由受光侧传导而来的热量，这与实验前提中假设的“样品与外界环境绝热”不符。为了使实验结果准确，就必须对这以测量值进行散热修正。根据实验中，微机处理系统对温升曲线的修正来看，散热修正的方法应当是将可能的散热值加回到实际的测量曲线上，使其更加符合“与外界绝热”的条件假设。具体修正计算如下
误差分析：
4.瓷砖热导率测量
原始
-0.2437
0.0421
-0.1008
3.2900
-0.2371
0.664
-0.0854
3.2546
0924
3.4027
-0.2352
0.0841
-0.0756
3.3907
5.本底辐射的强度波动在 的范围内，这样的波动强度和所测量的量相比引入的误差较小，由于测量时间较短，二极管的热噪声对于实验造成的影响有限。因此可以说热导率测量系统的稳健性较高。
原理图如右所示:
假设有一束能量为 的脉冲光在 时照射在试样表面，且并试样均匀吸收，可以认为在距离表面的微小距离 内试样升温为
并且，如果以上式为边界条件的话，得到在试样背面处温度可以表示为
且当 时， 达到最大，有 ，
若定义： ， ，则可以得到：
作图如右所示：
令 ，求得 ，对应的时间记为 ，可得热扩散率
类型
数据
40.73
40.73
40.73
40.73
40.73
40.73
9.934
9.938
9.944
9.944
9.930
9.934
9.912
9.914
9.920
9.910
9.910
9.912
3.071
3.056
3.062
3.080
3.088
3.070
误差分析：
2.胶合板的热导率测量
原始
-0.5702
-0.3541
6.由于氙气灯的工作原理是利用高压电脉冲来激发氙气气体，使其发光。在通电的瞬间，通过氙气灯的强电流脉冲会产生一个电磁波脉冲，这个电磁波脉冲被温度检测和转换电路捕捉到，形成了明显的背景噪声干扰，出现在温升曲线上，而这个脉冲的方向是不定的，因而曲线上波峰和波谷都有可能出现。
2.测量待测样品的温升曲线
a)每隔10分钟测一次，共测2次，求出 值。计算试样材料的热导率。用软件对曲线做散热修正，并从修正曲线上求出 ，计算试样材料的热导率 。
b)对同一样品在不加热的情况下取其“温度-时间”曲线，观察由于观景温度的波动、二极管本身的热噪声等因素对测量结果的影响，并给出评价。
五、
1.胶合板密度测量：
iii.高压脉冲电源已由实验室接通氙灯阴、阳极。测量时先开启微机，开启电源开关，用面版上的多圈电位器将高压调到600V左右。按下“触发”钮，此时氙灯会打火并闪光。
c)将测温二极管与补偿二极管用专用线接入放大电路。
d)开启计算机，了解数据采集的过程：在桌面上找到“闪光法热导仪实验系统”点击两下，则进入程序。从主菜单中选“文件”，在“文件”菜单中选“新建”项，则当前屏幕的主窗口中新开一个子窗口，包括数据区和图像区。再选择主菜单中“数据”项中的“选项”，设置AD/DA卡参数，再选择“采集与报警”，确定后，再打开主菜单中“数据”，点击“开始采集”项，则窗口中显示出实时采集的“温升-时间”图像。若在“采集与报警”中设置“外触发脉冲”为“5V”，高压脉冲电源将自动触发氙灯打火辐照样品，同时采集一幅“温升-时间”图像，这就是由样品背面采集的温升曲线。
从而有热导率
四、
1.认识和调节测量系统
a)识测量系统：先不动手，认真仔细观察测量系统的每个部分
b)调节光学系统：实验室已组装好光路的光学系统。
i.调节氙灯的三维微调架上有刻线，以便较快调节光学元件的共轴，使氙灯的电极中心位置在距反光镜底口约15 mm处。
ii.样品已被事先装入样品架内，调样品架位置距反光镜大口距离约为96.6 mm，则样品位置距反光镜大口106.6 mm。
六、
1.原理上需要满足
a)受热时间远远小于传热时间。实验中使用闪光法保证。
b)线性导热。实验中将样品置于反光镜的第二焦点前方，尽可能使的样品表面均匀受热。
c)无散热。实验中保证面积远远小于厚度。
2.由于传感器在实验中也会吸收热量，对实验结果产生影响，所以尽可能的做小，来减少对实验的影响。
3. 指上升至最高温度一半所用的时间；热导率反映物质的热传导能力。等于单位温度梯度在单位时间内经单位导热面所传递的热量。比热是单位质量物质的热容量，即单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。
闪光法测热导率
一、
1.测量不良导体的热导率。
2.了解一种测定材料热物性能参数的方法。
3.了解热物性参数测量中的基本问题。
4.学习正确使用高压脉冲光源和光路调节技术以及用计算机控制实验和采集、处理数据。
二、
闪光法热导仪
三、
1.傅里叶导热定理和热导率
热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换过程
为使问题简化,假设样品为棒状,热量沿一维传播;在棒上取微元x→x+dx,如图中所示.根据Fourrier导热定律,单位时间内流过某垂直于热流方向,面积为A的热量,即热流为:
根据Newton冷却定律，当系统与环境之间的温差不太大时，系统向周围散失的热量与系统和环境之间的温度差及时间成正比，其数学表达式为： , 为环境温度
那么，微小时间内的温度损失约为 ，M为系统的热容，
那么，在每时间内考虑同时从受光侧传来的热量，则可以得到：
利用该公式，反向对测量结果进行补偿，便起到的散热修正的效果。
其中q为热流,表示等温面上沿温度降低方向单位时间内传递的热量; K为热导率,表示单位时间内在单位长度上温度降低1K时,单位面积上通过的热量;
而在Δt时间内通过截面A流入小体积元dV=Adx的热量为：
，而小体积元升高温度ΔT所需要的热量为：
在无外界条件变化的情况下，以上两式应当相等，联立以上两式，可以得到：
，并可以由此推知热流方程：
其中D=K/cρ为热扩散率。
该热流方程的解将给出材料上各点温度随时间的变化，解的具体形式还将取决于边界条件
2. 闪光法
闪光法是给一个四周绝热、厚度为L的薄圆片试样加一脉冲的电流加热热流，在另一方面测出的温度随时间的变化关系，确定热扩散率，从而计算出材料热导率的一种测量方法。