导热系数的测试方法和装置-第四章
导热系数检测内容及方法
导热系数检测内容及方法（1）防护热板法检测导热系数本方法适用于处于干燥状态下单一材料或者复合板材等中低温导热系数的测定。
依据标准：《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》GB/T10294-88原理：在稳态条件下，防护热板装置的中心计量区域内，在具有平行表面的均匀板状试件中，建立类似于以两个平行匀温平板为界的无限大平板中存在的一维恒定热流。
为保证中心计量单元建立一维热流的准确测量热流密度，加热单元应分为在中心的计量单元和由隔缝分开的环绕计量单元的防护单元。
并且需有足够的边缘绝热或（和）外防护套，特别是在远高于或低于室温下运行的装置，必须设置外防护套。
通过测定稳定状态下流过计量单元的一维恒定热流量Q、计量单元的面积A、试件冷、热表面的温度差/T,可计算出试件的热阻R 或热导率CA（C1试验仪器：1.1平板导热仪(1)导热系数测定范围：(0∙020~L000)W∕(m∙K)(2)相对误差：±3%(3)重复性误差：±2%(4)热面温度范围：(0-80)℃(5)冷面温度范围：(5~60)℃1.2、钢直尺1.3、游标卡尺2、试件要求：1)尺寸试件测量范围：30OmmX30OnInIXI(10~38)mm试件的表面用适当方法加工平整，使试件与面板紧密接触，刚性试件表面应制作的与面板一样平整，并且整个表面的不平行度应在试件厚度的±2%。
试件的尺寸应该完全覆盖加热单元的表面，由于热膨胀和板的压力，试件的厚度可能变化，在装置中在实际的测定温度和压力下测量试件厚度。
热敏感材料不应暴露在会改变试件性质的温度下，当试件在实验室空气中吸收水分显著(如硅酸盐制品)，在干燥结束后尽快将试件放入装置中以避免吸收水分。
3、试件加工试验前，将试件加工成30OnlnI(长)×300mm(宽)的正方形，并且保证冷热两个传热面的平行度，特别是硬质材料的试件，如果冷热两个测试面不平行，这种情况下必须将试件磨平后才能做实验。
大学物理实验导热系数的测定
实验内容
记录橡胶盘（样品）、黄铜盘（散热板）的直径、厚度DB、hB、DC、hC,黄铜盘质量mC，由实验室提供。
测量散热板（黄铜板）的冷却速率 ，计算。
稳态法测橡胶盘上下表面的温度10 和20
调整好实验装置,各盘之间不能有间隙。
调整电热板的供电方式,人为控制发热盘的温度在:
每隔2分钟观察散热盘的温度θ2 , 记录θ1 ， θ2；若在10分钟内θ2基本保持不变则系统的热传导已达到稳定状态。对最后10分钟内的5次温度分别求平均得θ10， θ20。
实验原理
考虑散热盘自由冷却与稳态时的散热面积不同，引入修正系数：
于是，导热系数为：
实验原理
0°C 冰水
4、温差热电偶的工作原理
两种金属接触处由于温度差而产生电动势的现象称为温差电动势，一般情况下，温差电动势近似与两接触端的温度差成正比。
检流计
加热
检流计
电压值即为温度示数
杜瓦瓶里冰水混合物为冷端；发热盘、散热盘分别与冷端形成两个温差电偶。
θ/mv
210
180
150
120
90
60
30
0
ｔ／Ｓ
用逐差法求冷却速率:
数据记录和处理
记录橡胶盘（样品）和黄铜盘（散热板）的直径、厚度DB、hB、DC、hC,黄铜盘（散热板）质量mC。
采用逐差法求散热板（黄铜板）在温度为20时的冷却速率 ，其中t=120s。
记录稳态时橡胶盘上下表面的温度10 和20
计算橡胶板的导热系数，并与标准值比较，计算出百分比误差。
操作要点
1
数字电压表调零，注意热电偶接线。实验过程中散热风扇保持开启。
2
构建稳态环境， 10保持在3.50mV±0.03mV范围内，测量20
导热系数测量方法及仪器
动态方法是指在变化温度下测量材料导热系数的方法。这种方法通常使用热脉冲法或热反应法。
1.热脉冲法
热脉冲法是一种迅速变化温度的方法，它通过在被测材料中加热脉冲，并测量温度变化来计算导热系数。实验中，通过一个电磁炉或者激光脉冲等方式给被测材料施加一个短时间的高温脉冲，然后通过测量温度的变化，以及脉冲能量的大小来计算Leabharlann 热系数。导热系数测量方法及仪器
导热系数是材料的一个重要物理参数，它描述了材料传导热量的能力。测量导热系数的目的是为了评估材料的热性能，以及使用该材料的可行性。下面将介绍导热系数的测量方法以及常用的测量仪器。
一、静态方法
静态方法是指在恒定温度下测量材料导热系数的方法。这种方法是通过测量材料两端的温度差来确定导热系数的。常用的静态方法有热板法和热流计法。
2.热反应法
热反应法是一种通过观察材料的热反应过程，从而求得导热系数的方法。实验中，将被测材料放置在一个加热腔中，然后在一定温度下对其进行恒定热反应，通过测量反应中产生的热量和反应过程的时间来计算导热系数。
常用仪器：
1.导热系数测试仪：这种仪器有多种型号，可以根据不同的测量方法选择合适的仪器。一般包括加热装置、温度传感器、温度控制系统、数据采集和分析系统等组成。
2.热板法仪器：热板法需要使用一块平板和对应的温度传感器，以及控制电路等。
3.热流计：热流计用于测量导热材料中的热流量，它包括散热区、热电偶和测温装置等。
4.热脉冲测试仪：热脉冲测试仪包括一个加热器、一个测温电阻和一个控制系统，用于给被测材料施加热脉冲以及测量温度变化。
总结：
导热系数是材料的一个重要物理参数，测量导热系数有静态方法和动态方法两种。常用的测量仪器包括导热系数测试仪、热板法仪器、热流计和热脉冲测试仪等。这些仪器可根据实验需要选择使用。随着科技的发展和进步，导热系数的测量方法和仪器也将进一步提高和完善。
导热系数的测定实验
【
实 验 仪 器
】
1、热源：电热管、加热铜板。 2、样品架：样品支架、样品板。 3、测温部分：铜——康铜热电偶、数字式毫伏表。 仪 器 附 件（必备附件）有：
真空保温杯 橡 皮 样品 数字电压表 一只； 一块； 一台 硬铝样品 一块（附绝缘圆盘一块，供散热时覆盖用） 热电偶（铜-康铜） 二根 塞尺(测片) 一把
图1：稳态法测定导热系数实验装置图
【
实 验 内 容
】
1、取下固定螺丝，将样品放在加热盘与散热盘中间，然后固定：调节 底部的三个微调螺母，使样品与加热盘、散热盘接触良好； 2、将电热偶的两插头插在表盘的测2上，把冷端放在装有冰水混合物 的杜瓦瓶内的细玻璃管中，热端插在散热金的小插孔上：将另一热 电偶插在表盘的测1内，冷端也放入杜瓦瓶内的另一细管中；热端 插入加热盘上的小插孔中； 3、插好加热板的电源插头；再将驼线的一端与数字电压表相连，另一 端插在表盘的中间位置； 4、最后，分别接好导热系数测定仪与数字电压表的电源。 5、调节数字电压表的调零旋钮，再将加热开关拨至220V档，开始加热； 6、待稳定后，可以将切换开关分别拨至测1和测2端，记录此刻样品上、 下表面的温度；（每隔3分钟读样品上下表面的温度，若在10分钟 内样品上下表面的温度示数都不变。可以认为己经达到稳定状态。 7、移去样品，使加热盘与散热盘较好的接触，再将加热开关拨至 220V 档。加热散热盘。
【
注 意 事 项
】
h 1 m c | 2 3 t R 1 2 测θ 3值时可在θ 1、θ 2达到稳定时，将上面测θ 1 或θ 2的热电偶移下来进行测量。
| 3 t
、
1、在做稳态法时，要使温度稳定约要1个小时左右，为缩短时间，可先 将热板电源电压打在220V快速加热档，几分钟后θ 1 ＝ 4.00mV即可 将开关拨至110V慢速加热档待θ 1降至3.50mV左右时通过手动调节电 热板电压220V档、110V档及0V档，使θ 1读数在0.03mV范围内，同时 每隔2分钟记下样品上下圆盘A和P的温度θ 1 和θ 2的数值，待θ 2的 数值在10分钟内不变即可认为已达到稳定状态，记下此时的θ 1 和 θ 2值。 2、测金属的导热系数时θ 1 , θ 2值为稳态时金属样品上下两个面的温 度，此时散热盘P的温度为θ 3 值。因此测量P盘的冷却速率应为:
导热系数的测定
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仪器简介
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固定于底座上的３个测微螺旋头支撑着一个散热圆铜 盘，在散热盘上安放一待测圆柱或圆盘样品，样品上 再安放一加热圆盘；使样品上下表面维持温度T1、T
２，T1、T２的值用安插在加热圆盘、散热铜盘深孔中
的热电偶来测量（热电偶接数字电压表），热电偶冷
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问题与讨论
1、求冷却速率时,为什么要在散热盘稳态 温度附近选值？ 2、稳态法测量导热系数,要求哪些实验条 件？在实验中如何确定和保证？ 3、在测定散热盘的散热曲线时，若散热盘 上不覆盖原样品盘，对实验结果是否有 影响，为什么？
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dT dx
表示在x处
的温度梯度，那么在时间△t 内通过截面积△S所传递的 热量△Q为
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Q dT S t dx
这就是傅立叶热传导定律。 式中负号表示热量从高温区向低稳区传导（即传导 的方向与温度梯度的方向相反）。式中比例系数 即为导热系数，它表示相距单位长度的两平面的温
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。
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数据处理
1、根据
4m ckh 1 2 d T1 T2
计算及其不确定度，正确表示结果。 2、将测得样品的与标准值0比较，计算百分误差。
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注意事项 1、热电偶丝较细，操作时应小心，以免折断。
2、热电偶测温点必须与被测物体接触良好。 3、放置冰块时应小心轻放，以免打破杜瓦瓶。 4、实验中加热盘、样品、散热盘等温度比较高，注意 避免烫伤。 5、在测冷却速率时，移开发热盘后必须将它紧紧固定 在机架上，以防在实验过程中下滑而造成事故。
导热系数的测定方法
导热系数的测定方法导热系数（thermal conductivity）是指物质传导热量的能力，是描述物质热传导性能的重要参数。
测定物质的导热系数有多种方法，下面将介绍其中常用的几种方法。
1.热板法测定导热系数热板法是一种常用的测定导热系数的方法。
该方法需要将待测物质包裹在两块热板之间，首先加热其中一块热板，保持另一块热板的温度恒定，然后通过测量两块热板之间传导的热流量和温度差来计算导热系数。
该方法适用于导热系数在0.03-200W/m·K范围内的材料。
2.平板法测定导热系数平板法是另一种常用的测定导热系数的方法。
该方法将待测物质切割成平板状，在平板两侧施加不同温度，通过测量两侧温度差和传导热流量来计算导热系数。
该方法适用于导热系数在0.1-500W/m·K范围内的材料。
3.横向比热差法测定导热系数横向比热差法是一种用于测定导热系数的动态方法。
该方法将待测物质制成棒状，在其表面施加周期性的热源和热沉，通过测量棒状物体两处的温度差和周期性热流量来计算导热系数。
该方法适用于导热系数在0.2-10W/m·K范围内的材料。
4.传导-对流法测定导热系数传导-对流法是一种用于测定导热系数的方法。
该方法将待测物质加工成圆柱形，通过测量圆柱的传热速率和端部的温度差来计算导热系数。
在传热过程中考虑了传导和对流两个因素。
该方法适用于导热系数在0.03-100W/m·K范围内的材料。
5.热流计法测定导热系数热流计法是一种常用的测定导热系数的方法。
该方法使用热流计进行测量，将待测物质放置在热流计中，通过测量热流计两侧温度的变化和流过的热量来计算导热系数。
该方法适用于导热系数在0.1-500W/m·K范围内的材料。
除上述方法外，还有一些其他测定导热系数的方法，例如横向比热法、横向热流测量法、测量材料的导电系数然后通过Wiedemann-Franz定律计算导热系数等。
这些方法各有优缺点，选择合适的方法需要考虑待测物质的性质、测试条件和测量精度等因素。
导热系数的测定
实验4—7 导热系数的测定热传导是热量交换（热传导、对流、辐射）的三种基本方式之一，导热系数（又称热导率）是反映材料热传导性质的物理量，表示材料导热能力的大小。
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，某种材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力及杂质含量有关。
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。
物体按导热性能可分为良导体和不良导体。
对于良导体一般用瞬态法测量其导热系数，即通过测量正在导热的流体在某段时间内通过的热量。
对于不良导体则用稳态平板法测量其导热系数。
所谓稳态即样品内部形成稳定的温度分布。
本实验就是用稳态法测量不良导体的导热系数。
【实验目的】1. 了解热传导现象的物理过程，巩固和深化热传导的基本理论。
2. 学习用稳态平板法测量不良导体的导热系数。
3. 学会用作图法求冷却速率。
4. 了解实验材料的导热系数与温度的关系。
【实验原理】1. 导热系数根据1882年傅立叶（J.Fourier ）建立的热传导理论，当材料内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传向低温处，这时，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，其比例系数是导热系数，即：dS dzdT dt dQ λ-= （4-7-1） 式中，dtdQ 为传热速率；dz dT 为与面积dS 相垂直方向上的温度梯度，负号则表示热量从高温处传到低温处；λ为导热系数。
在国际单位制中，导热系数的单位为-1-1W m K ⋅⋅。
2. 用稳态平板法测不良导体的导热系数设圆盘B 为待测样品，如图4-7-1所示，待测样品B 、散热盘C 二者的规格相同（其位置如图4-7-2所示），厚度均为h 、截面积均为S （2S D π=，D 为圆盘直径），圆盘B大学物理实验 78 上下两面的温度1T 和2T 保持稳定，侧面近似绝热，则根据（4-7-1）式可知传热速率为： S h T T S h T T dt dQ 2112-=--=λλ （4-7-2） 为了减小侧面散热的影响，圆盘B 的厚度h 不能太大。
导热系数的测量
瓶的冰水混合物中，热端插入样 品上下的两个小孔中。热电偶的 两个接线端分别插在仪器面板上 的相应插座内，利用面板上的开 关可方便地直接测出两个温差电 动势。温差电动势采用量程为 20mV的数字电压表测量，再根据 铜—康铜分度表转换成对应的温 度值。
思考题
1、测导热系数λ要满足哪些条件？在实 验中如何保证？
2、测冷却速率时，为什么要在稳态温度 T2（或T3）附近选值？如何计算冷却 速率？
3、讨论本实验的误差因素，并说明导热 系数可能偏小的原因。
实验思路
本实验的关键是给样品造成一 个稳定的传热状态（如图）在此状 态下，温度梯度
dT T1 T2 dx h
T1、T2是样品上下表面的稳定温度， h是样品的厚度。
令样品的半径为R ,高度为h
Hale Waihona Puke 铜盘的半径为RP ,高度为hP 则样品的传热速率
dQ dQ mc dT 2 RP2 R2 2 RPhP
导热系数的测量
实验目的 实验仪器 实验原理 实验内容及操作 数据处理
实验目的
1、掌握稳态法测材料导热系数 的方法
2、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－2型导热 系数测试仪
杜瓦瓶 测试样品（硬
铝、橡皮） 游标卡尺等
仪 器 简介
5、求冷却速率。
以时间为X轴温度为Y轴作出散热盘的冷却 曲线，画出经过冷却曲线上T3点的切线， 其斜率即为温度T3时散热盘的冷却速率。
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第四章 导热系数的测试方法和装置
一、测试方法分类
二、稳态法 1、
待测试样在一个不随时间而变化的温度场里，当达到热平衡后，一次测出导热系数公式中的值，即可得到导热系数。
2、稳态法实施过程中面对的问题
稳态法测量导热系数是面对的两个根本问题
-要得到一个与建立物理模型是所作的假设相符合的热流图像
1、设计一种装置，把热流约束在规定的方向（沿着一维方向流动）
2、设计各种形状式样，以便于数学描述
3、推导相应的数学公式描述便于制备的样品的热流图像
-待测样品的热流速率
1、测定流过试样的热量
2、测定用来加热试样的热量 t F L Q ∆••==τλ t grad q -
3、同时测定全部或部分的输入热量和热损
4、使热量等同通过待测样和标样
三、非稳态法
试样的温度分布随时间变化，测试时往往是使试样的某一部分温度作突然的或周期性的变化。
测试中的标准样品：
-必要性：为缩短研制周期并对测试装置的准确度或误差作必要的验证
-入选标样的要求：在宽广温度范围有良好的物理化学稳定性，易于加工，价格合适 -常用标样：
一种是作为非金属材料即导热系数较小的一类材料的标准样品——多晶32O Al -α 另一种是作为金属材料即导热系数较大的一类材料的标准样品——阿姆可工业纯铁
第三节 平板法
1、平板法是一种试样形状为圆盘形或方板型的纵向热流法，按其是否直接测定热流量或功率，又可分为绝对法和比较法两种。
2、平板法优缺点：
优点：试样容易制备，操作方便；具有相当高的测试准确度和实验温度。
缺点：试样太大，加工困难，径向热损很难减小到最低限度，测试周期长。
因此已被许多国家列为低导热系数材料的标准实验方法。
3、平板内纵向一维热流如何实现
（1）利用试样的低导热系数特点，把试样做的很薄，直径很大。
（2）把试样夹在带有加热器的热板和没有加热器的冷板间，试样冷面和热面的重心区域便有一较好的等温面，等温面之间产生均匀的热流。
4、测定Q 方法很多，直接测主发热器电功率，也可以在试样的冷面用水卡计测定。
5、平板法也可以测纤维或粉末材料的导热系数，试样需要用试样匣，匣盖和匣底均用高热导的金属或碳化硅簿圆片做成。
平板法还可以测导热系数较小的液态物质，注意防止对流传热，控制液体沿热流方向的厚度。
6、导热系数的测试误差随着不同试样和不同温度而变化。
一般，热导高的材料，在较低温
度下测量时误差较大，反之则小。
7、双平板法：用两块平板试样夹住主发热器，并增加了一个顶发热器。
优点：在试样的冷面不再需要一厚层隔热材料，可使测试的温度提高。
缺点：试样的尺寸比较大，为了防止侧向热损，需要在侧向进行精心的热保护。
小小经验：
1、温差电偶：又称热电偶。
利用温差电现象制成的一种元件。
利用两种能产生显著温差电现象的金属丝(如铜和康铜)a、b焊接而成。
其一端置于待测温度t处，另一端(冷端)置于恒定的已知温度的物质(如冰水混和物)中。
这样，回路中将产生一定的温差电动势，可由电流计直接读出待测温度值。
温差电偶的主要用途是测量温度。
2、二次仪表：接受由变送器、转换器、传感器(包括热电偶、热电阻)等送来的电或气信号，并指示所检测的过程工艺参数量值的仪表。
第四节圆柱体法
一、分类圆柱体法按其热流方向分包括径向热流法和纵向热流法。
一般，测定高热导材料用纵向热流法较多；测定低热导材料用径向热流法比较多。
无机非金属材料一般都具有较低的导热系数，常采用圆柱体法中的径向热流法。
二、物理模型
三、减少热损
1、把圆柱体做成长度与直径之比等于或大于8以上的无限圆柱体，这将带来制备上的困难；把较长的圆柱体试样制成许多块圆盘再叠合起来，沿着轴向叠合在一起的圆盘之间的接触热阻大大减少了沿着轴向的热损，同时也大大减小了制备的困难。
2、可在试样的两端加各加一个保护加热器。
3、在圆柱体径向热流法中还可以在圆柱体外表面加热，在内表面放置吸热器，使热流由圆柱体外表面向内流到内壁。
4、优缺点
优点：有相当高的测试准确度，实验装置比较简单，操作方便，测试温度比较高（这为啥会是优点呢？是不是因为高温比低温易于实现）
缺点：试样制备比较困难，在一定程度上限制了它的范围。
5、同心圆柱体法
测试粉末、纤维和其它疏松材料的导热系数，试样被装填在两个同心的圆柱体的空腔中，在里面的加热器装有加热器或吸热器。
第五节圆球体法
一、优缺点
优点：由于发热器被试样完全包裹，热流几乎毫无损失的从空心圆球体的试样的内表面径向的传导到外表面。
不需要任何防治热损的辅助加热器，结构简单，测试准确度比较高。
缺点：试样很难制备；其等温面是高度弯曲的，不利于温度的正确测量，不利于放热电偶。
二、模型
三、同心圆球体法
测试粉末、纤维和其它疏松材料的导热系数，试样被装填在两个同心的圆柱体的空腔中，在里面的加热器装有加热器或吸热器。
第六节椭球体法
1、与众不同之处
椭球体法引入了产生均匀热流的体积因子
2、椭球体法外出了具有圆球体法的一切优点之外，还有一独特的优点在接近椭球短轴平面的等温面比较平坦，这对放置热电偶和提高温度的准确度是非常有利的。
缺点：试样比圆球体法更难制备。
第七节第七节纵向热流比较法
一、绝对法和比较法
1、定义
绝对法：在测试中，都要直接测定流经试样的热流量，或者测定由主发热器产生的功率。
比较法：只要测出待测试样与之相串联的已知导热系数的参考试样（不懂哎，这个已知的导热系数跟参考系数有啥关系吗？要求它们相等吗？）的温度梯度，并设法使流经试样和参考试样的热流量相等，就可计算出试样的导热系数。
2、比较法原理
（1）比较法优缺点
优点：比绝对法简单的多；设备比较简单，易于操作和控制试样。
缺点：增加了测温点，附加了参考试样导热系数的测试误差，总的测试准确度不高；不易找到许多与导热系数相近的参考试样。
（2）困难：如何防止在试样纵向因分布不均而引起的侧向热损
（3）原因及解决途径
A、原因：待测试样和参考试样导热系数的差别
解决途径：尽量选用导热系数和待测试样相近的参考试样
B、原因：试样交界面之间的热阻
解决途径：在试样界面间嵌入金属箔并在试样纵向加压，利用高温和压力下金属箔的延展性和高导热性质来改善界面的接触。
第八节径向热流比较法
1、分类：分为同轴圆柱体法和圆盘法
2、同轴圆柱体法优点：特别适用于放射性物质导热系数的测试，围在待测试样的外壁的参考试样能起到对放射性的防护作用。
3、圆盘法：一般用来测试导热系数比较低的试样。
第九节热比较器法
上述介绍的各种导热系数的测试方法，其共同特点是测试周期长，设备庞杂，操作也不方便。
热比较器法能同时客服这些缺点，其也属于导热系数的比较法。
使用范围：适用于固体物质、液体和气体导热系数的测定，还被用来作为材料其它性能非破坏性检测的一种手段。
第十节测试方法的选择和小结
一、选择导热系数测试方法要考虑的因素
1、待测材料导热系数的数量级；
2、进行测试的温度范围
3、待测材料的电导率；
4、把待测材料制成适当的几何形状或大小的试样时，所遇到的困难程度
5、待测材料所要求的导热系数测试准确度和精度
6、测试周期
7、成本或容许的投资额
8、已有的设备条件。