材料导热系数测试实验

东南大学材料科学与工程

实验报告

学生姓名 张沐天 班级学号 实验日期 2015.11.27 批改教师 课程名称 材料性能测试实验 批改日期 实验名称 材料导热系数测试实验 报告成绩

一、实验目的

1.掌握稳态法测定材料导热系数的方法

2.了解材料导热系数与温度的关系

二、实验原理

不同温度的物体具有不同的内能，同一个物体不同区域如果温度不等，则他们热运动的激烈程度不同，含有的内能也不相同。这些不同温度的物体或区域，在相互靠近或接触时，会以传热的形式交换能量。由于材料相邻部分之间的温差而发生的能量迁移称为热传导。在热能工程、制冷技术、工业炉设计等一系列技术领域中，材料的导热性都是一个重要的问题。

1.材料的导热性及电导率

材料的导热系数是指在稳定传热条件下，1m 厚的材料，两侧表面的温差为1K ，在1s 钟内，通过1m2面积传递的热量，单位为 W/(m ·K)，也叫热导率。热导率λ由简化的傅里叶导热定律dx

dT

-q λ 决定。

2.热传导的物理机制

热传导过程就是材料的能量传输过程。在固体中能量的载体可以有自由电子、声子和光子，因此固体的导热包括电子导热、声子导热和光子导热。

1）电子和声子导热

纯金属中主要为电子导热，在合金、半金属或半导体、绝缘体的变化过程中，声子导热所占比例逐渐增大。

2）光子导热

固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变会辐射出频率较高的电磁波，其中具有较强热效应的是波长在0.4-40pm 间的可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热射线。热射线的传递过程称为热辐射。

3.影响导热系数的因素

1）温度

金属以电子导热为主，电子在运动过程中将受到热运动的原子和各种晶格缺陷的阻挡，从而形成对热量传输的阻力。

一般来说，纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低；而今导热系数一般随温度的升高而升高；玻璃体的导热系数则一般随温度的降低而减小。

2）原子结构

物质的电子结构对热传导有较大影响。具有一个价电子的，导电性能良好的、德拜温度较高的单质都具有较高的导热系数。

3）成分和晶体结构

合金中加入杂质元素将提高热阻，使导热系数降低。杂志原子与基体金属的结构差异较大的元素，对基体导热系数的影响也较大。

4）压强，密度，气孔率等

压强，密度，气孔率等因素也会对材料的导热系数产生影响，影响材料导热系数的因素是复杂的。

4.导热系数的测试方法

根据试样内温度场是否随时间改变可将固体的导热分为稳定导热和不稳定导热。测量导热系数的方法也分为两大类：稳态法和动态法。

1）稳态法

稳态法是根据傅立叶方程直接测量导热系数，但温度范围与导热系数范围较窄，主要适用于在中等温度下测量中低导热系数材料。稳态法可分为热流法（直接法、比较法）、保护热流法、热板法等测试方法。

2）动态法

动态法使用范围较为宽广，适合于高导热系数材料以及高温下的测试，其中发展最快、最具代表性、得到国际热物理学界普遍承认的方法是闪光法（ Flash Method，有时也称为激光法，激光闪射法），也是本次实验使用的方法。

闪光法的优点为要求的样品尺寸较小，测量范围宽广，可测量除绝热材料以外的绝大部分材料，特别适合于中高导热系数材料的测量。除常规的固体片状材料测试外，通过使用合适的夹具或样品容器并选用合适的热学计算模型，还可测量诸如液体、粉末、纤维、薄膜、熔融金属、基体上的涂层、多层复合材料、各向异性材料等特殊样品的热传导性能。

三、实验仪器与装置

ZSCH LFA 467金属高温导热系数测试仪

2.保护气体

3.游标卡尺

ZSCH激光导热仪样品支架

5.实验样品

四、实验步骤及测量数据

1.选择合适的样品支架，安装合适大小的试样

2.打开保护气体

3.开启计算机，启动计算机，进入导热系数测试程序

4.设置加热温度及其他参数，开始实验

5.试验结束后，自动得到导热系数测试结果

6.进行分析

五、实验数据与处理

1.PV塑料

2.紫铜

3.Q235钢

六、实验结果与讨论

1.简述金属、非金属建筑材料、气体导热性能差异大的原因。

答：金属主要是通过电子导热来传热，而非金属建筑材料大多为绝缘体，主要导热形式为声子导热，电子导热效率要远远优于声子导热，所以金属材料导热性能优于非金属建筑材料。气体的对流加快了热传递，其导热系数是非常高的；但是依旧不能和电子导热相提并论，所以金属的导热性能强于气体，但是无机非金属和气体导热性能大小无法确定，还需根据具体的材料进行分析

2.计算紫铜、Q235钢、塑料的热扩散系数

答：紫铜的热扩散系数为：134.514

塑料的热扩散系数为：0.251

Q235钢的热扩散系数为：18.272

3.分析温度对热扩散系数的影响

答：温度对各类绝热材料导热系数均有直接影响，温度提高，材料导热系数上升。因为温度升高时，材料固体分子的热运动增强，同时材料孔隙中空气的导热和孔壁间的辐射作用也有所增加。但这种影响，在温度为0-50℃范围内并不显著，只有对处于高温或负温下的材料，才要考虑温度的影响。

金属以电子导热为主，电子在运动过程中将受到热运动的原子和各种晶格缺陷的阻挡，从而形成对热量传输的阻力。

一般来说，纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低；而今导热系数一般随温度的升高而升高；玻璃体的导热系数则一般随温度的降低而减小。