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          導熱系數的測量方法
          點擊次數:6736 更新時間:2022-06-15

          導熱系數

          測量方法
           
          導熱系數測試方法,分為穩態法和瞬態法(又稱為非穩態法)兩類;
          穩態法有:平板法、護板法、熱流計法、熱箱法等
          瞬態法有:、探針法、熱盤法、熱帶法、激光法等
           
          各種測試方法,有其自身的適用范圍。由于物質具有固、液、氣三種狀態,不同狀態時,其導熱系數會差異很大;而不同狀態時導熱系數的測量也會有很大的不同;相比于固體、液體和氣體的測量更加困難,因為流體狀態物質內更容易發生自然對流,溫度場會很快發生變化,需要采集的速度相當快(如1秒),以避開自然對流的影響,所以對于儀器的要求會更高。
           
           
          穩態法
           
          穩態法是指當待測試樣上溫度分布達到穩定后,即試樣內溫度分布是不隨時間變化的穩定的溫度場時,通過測定流過試樣的熱量和溫度梯度等參數來計算材料的導熱系數的方法。它是利用穩定傳熱過程中,傳熱速率等于散熱速率的平衡條件來測量導熱系數。
           
          穩態法具有原理清晰、模型簡單、可準確直接地獲得熱導率值等優點,并適于較寬溫區的測量;缺點是實驗條件苛刻、測量時間較長;穩態法中,為了獲得準確的熱流,需要嚴格保證測試系統的絕熱條件,附設補償加熱器并增加保溫措施,以減小漏熱損失;為了獲得準確的溫度,需要布置多根熱電偶;為了保證一維導熱,通常對樣品的尺寸要求較大,而且為了保證整個受熱面溫度場的均勻一致,對樣品表面的平整度要求較高。
           
          穩態法主要用于測量固體材料的導熱系數,而要把它用于研究濕材料會遇到很大困難,因為試樣會由于長時間保證一定的溫度場而引起含濕量的變化,這將導致測量結果不正確。

           

          瞬態法 

           
          隨著新材料的發展,對測試速度的要求大大提高,而且因為新材料的多樣性(多層,多孔),傳統的方法獲得的參數并不能準確反映材料的性質,傳統的模型也不能準確反映所要研究的過程,因此瞬態法開始廣受關注。
           
          瞬態法是指實驗測量過程中試樣溫度隨時間變化,通過測量試樣內某些點溫度變化的情況以及其他一些需要的參數,從而確定試樣導熱系數的方法,其分析的出發點是非穩態導熱微分方程。
           
          瞬態法可分為周期熱流法和瞬態熱流法,而瞬態熱流法中的瞬態法、熱盤法、熱帶法、探針法和準穩態法屬于直接測量,閃光法、運動熱源法和比較法等方法屬于間接測量,其直接獲得的是試樣的熱擴散率,通過已知的比熱,密度間接求解導熱系數的方法,由于這類方法需要用到材料的比熱和密度值,因而導熱系數的測量準確度受到這兩個物理量準確度的限制。瞬態法是目前應用范圍廣的測量方法,可以測量氣體、液體、固體等物質,測量準確度高。探針法實質上是一種更為實用的線熱源法,主要用于測量食品、生物組織、土壤和其他松散材料的導熱系數。由于測試速度快,試件制作要求低,使用儀器簡單,特別適合現場測量。
           
          瞬態法的優勢在于速度快、可以獲得跟傳統法相當或者更好的測試精度,而且對試樣的要求低(通常需要很少量的樣品);但從理論上看,瞬態法的導熱微分方程比較復雜,邊界條件難以準確確定,而且獲得準確的溫度隨時間的變化關系也比較困難。但是近幾十年來,隨著測量技術的進步,瞬態法由于測量時間短、性高和對環境要求低等優點而得到了大力的發展。
           
          2005 年,由英國國家物理實驗室(National Physical Laboratory)發起,聯合歐洲多個國家物性研究實驗室,聯合制定了關于瞬態法測量導熱系數的標準-Standard forContact Transient Methods of Measurement of Thermophysical Properties。
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