热导率的测量课件.ppt
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- 热导率 测量 课件
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1、热导率的测量热导率的定义与物理基础当固体中温度 分布不均匀时,将会有热能从高温处流向低温处,这种现象称为热传导.如果定义热流密度J表示单位时间内通过单位截面传输的热能实验证明热流密度与温度梯度成正比,比例系数称为热传导系数或热导率它与材料的性质有关.为简单起见,假设温度T仅是x的函数,在垂直x的平面内温度是均匀的,则有dxdTJ负号表示热能传输总是从高温流向低温.固体中可以通过电子运动导热,也可以通过格波的传播导热,前者称为电子导热后者称为晶格热导.绝缘体和一般半导体中的热传导主要是靠了晶格的热导.如果把晶格热运动系统看成是声子气体,平均声子数由温度决定1)/exp(1TknBi当样品内存在温
2、度梯度时,声子气体的密度分布是不均匀的,高温处声子密度高,低温处声子密度低,因此声子气体在无规运动地基础上产生平均的定向运动,即声子的扩散运动.声子是晶格振动的能量量子,声子的定向运动就意味有热流存在,热流的方向就是声子平均的定向运动的方向.因此晶格热传导可以看成是声子扩散的结果.和气体热导率的导出类似,固体热导率可以表示为vck31导热系数随材料的成分、结构和温度变化很大,用实验方法测定导热系数几乎成为研究物质导热系数的唯一途径。一般来说,金属的导热系数最大,非金属固体次之,液体较小,气体最小。表列举了一般情况下各类物质的导热系数的大致范围,其中数据表明了气体、液体和固体的导热系数的数量级范
3、围。物质导热系数的数量级物质导热系数的数量级 物质种类气体液体非导固体金属绝热材料(W/(m.)0.0060.60.070.70.23.0154200.25固体的导热系数固体的导热系数在所有固体中,金属是最好的导热体,大多数纯金属的导热系数随温度升高而降低。金属的纯度对导热系数影响很大,其导热系数随其纯度的增高而增大,因此合金的导热系数比纯金属要低。非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数与温度、组成及结构的紧密程度有关,一般 值随密度增加而增大,亦随温度升高而增大。对大多数均质固体,其值与温度近似呈线性关系,即)1(0T其中0是温度为0时的导热系数,称为温度系数,对大多数金属材料,它为负值;而对
4、大多数非金属材料,为正值;液体的导热系数液体的导热系数 由于液体分子间相互作用的复杂性,液体导热系数的理论推导比较困难,目前主要依靠实验方法测定。液体可分为金属液体(液态金属)和非金属液体。液态金属的导热系数比一般的液体要高。大多数金属液体的导热系数均随温度的升高而降低。在非金属液体中,水的导热系数最大。除水和甘油外,大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高而降低。液体的导热系数基本上与压力无关。一般来说,纯液体的导热系数比其溶液的要大。溶液的导热系数在缺乏实验数据时,可按纯液体的值进行估算。iiia9.0有机化合物水溶液的导热系数估算式为有机化合物的互溶混合液的导热系数估算式为iiia式中
5、ai为组分的质量分率,i为组分的导热系数 气体的导热系数气体的导热系数 与液体和固体相比,气体的导热系数最小,对热传导不利,但却有利于保温、绝热。工业上所使用的保温材料,如玻璃棉等,就是因为其空隙中有气体,所以其导热系数较小,适用于保温隔热。气体导热系数随温度升高而增大。在相当大的压强范围内,气体的导热系数随压强的变化很小,可以忽略不计,仅当气体压力很高(大于2000大气压)或很低(低于20毫米汞柱)时,才应考虑压强的影响,此时导热系数随压强增高而增大。常压下气体混合物的导热系数可用下式估算 iiiiiiiMaMa3/13/1式中 ai为气体混合物中i组分的摩尔分率;Mi气体混合物中i组分的分
6、子量。常用材料的导热系数用途窗框玻璃热断桥防雨密封条材料铜铝(硅合金)黄铜铁不锈钢PVC硬木软木(常用于建筑构件中)玻璃钢(UP树脂)碳酸钙玻璃PMMA(有机玻璃)聚碳酸脂聚冼氨(尼龙)尼龙 6.6和25%玻璃纤维高密度聚乙烯HD低密度聚乙烯 LD固体聚丙烯带有25%玻璃纤维的聚丙烯PU(聚亚氨脂树脂)刚性PVC氯丁橡胶(PCP)EPDM(三元乙丙)纯硅胶柔性PVC聚脂马海毛柔性人造橡胶泡末密度(kg/m3)8900280084007800790013907005001900250011801200115014509809209101200120013901240115012001200 60
7、80导热系数(W/mK)38016012050170.170.180.130.401.00.180.200.250.300.500.330.220.250.250.170.230.250.350.140.140.05目前,测定这一热物性的方法就温度与时间的变化关系而言,可以分为稳态和非稳态两大类 稳态测量法:具有原理清晰,可准确、直接地获得热导率绝对值等优点,并适于较宽温区的测量,缺点是比较原始、测定时间较长和对环境(如测量系统的绝热条件、测量过程中的温度控制以及样品的形状尺寸等)要求苛刻。常用于低导热系数材料的测量,其原理是利用稳定传热过程中,传热速率等于散热速率的平衡条件来测得导热系数。热
8、流计法 热流计法是一种基于一维稳态导热原理的比较法。如图所示,将厚度一定的方形样品插入两个平板间,在其垂直方向通入一个恒定的单向的热流,使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流,传感器在平板与样品之间和样品接触。当冷板和热板的温度稳定后,测得样品厚度、样品上下表面的温度和通过样品的热流量,根据傅立叶定律即 可确定样品的导热系数:TCq式中:q为通过样品的热流量,W/m2 样品厚度,m样品上下表面温差,CC热流计常数,由厂家给出,也可用已知导热系数的材料进行标定得出。上法适用于导热系数较小的固体材料、纤维材料和多空隙材料,例如各种保温材料。在测试过程中存在横向热损失,会影响一维稳态导热模型的建立
9、,扩大测定误差,故对于较大的、需要较高量程的样品,可以使用保护热流计法测定,该法原理与热流计法相似,不同之处是用在周围包上绝热材料和保护层(也可以用辅助加热器替代),从而保证了样品测试区域的一维热流,提高了测量精度和测试范围。但是该法需要对测定单元进行标定。保护热板法保护热板法的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似。适用于干燥材料,一般采用双试件保护平板结构,在热板上下两侧各对称放置相同的样品和冷板一块,如图所示,试件周围包有保护层,主加热板周围环有辅助加热板,使辅助加热板与主加热板温度相同,以保证一维导热状态。当达到一维稳态导热状态时,根据傅立叶定律得:)()(4231ttttAq式中
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