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1、用稳态法测不良导体的热导率热传导是指热量从物体温度较高部分沿着物体传到温度较低部分的方式，它 是三种传热模式(热传导、对流、辐射)之一。各种材料都能够传热，但是不同 材料的热传导性能不同。热导率又称“导热系数”，是表征材料热传导性能的基 本物理量，其定义为单位时间内通过单位面积的热能与温度梯度之比。热导率高 的材料称为热的良导体，否则为热的不良导体。热导率受材料本身的状态、成分、 结构、密度以及湿度、温度和压力等综合因素影响。在科研、生产很多领域，材 料的热导率是应用材料的一个重要指标。目前，测量固体材料的热导率一般有两种实验方法：稳态法和动态法。稳 态法测量是基于样品内部待测热导率方向形成稳
2、定的温度差，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量样品的热导率。动态法测量热导率 是在被测样品整体达到温度均匀恒定后，加载微小的温度扰动，通过检测此温度 扰动直接计算出被测样品在此恒定温度下的热导率。稳态测量法原理清晰，计算 公式简单，可用于较宽温区的测量，但测定时间较长和对环境要求较严格。动态 法测试对边界条件没有太多的要求，测试设备相对比较简单，但动态法的测试数 据方法一般都比较复杂，甚至要进行复杂的数学公式进行各种修正。本实验应用稳态法中的平板法测量不良导体的热导率，学习用物体散热速率 求热导率的实验方法。【实验目的】1. 了解热传导现象的物理过程，掌握用稳态法测量不
3、良导体热导率的原理。2. 掌握测量冷却速率的方法，以及通过散热速率求传热速率以及热导率。3. 了解热电偶的原理以及使用方法。【实验原理】法国数学家、物理学家约瑟夫.傅里叶(Joseph Fourier)于1882年建立了傅 里叶热传导定律，艮即如果物体内部有温差存在时，热量将从物体高温部分流向低温部分，时间内流过面积的热量正比于温度梯度，其比例系数既是热导率。其热传导的基本公式为：- 式中为传热速率，一是与面积 相垂直方向上的温度梯度，“-”号表示热量由 高温传向低温。即为热导率，其具体定义为：在物体内部垂直于导热方向取两 个相距1米、面积为1平方米的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1
4、 秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率，其单位为或。本次实验采用稳态法中的平板法来测量作为不良导体样品的传热速率一，再 利用傅里叶热传导公式直接计算出热导率。此方法是C. H. Lees于1898年首先 使用。其实验原理如图1所示：图1平板法测不良导体热导率示意图加热盘A、样品B和散热盘C均做成直径相同的圆盘平板状，即：。样品B其上端面与一均匀、稳定发热的发热盘A充分接触，下端面与一均匀散热 盘C充分接触。热量由发热盘A通过样品B上表面传入，并由样品B下表面向散 热盘C散发。由于平板样品B的侧面积相较与上下端面面积小很多，可以近似认 为热量只沿着上下端面垂直方向传递，横向
5、由侧面散去的热量忽略不计。即可以 认为，样品内只有在垂直样品上下端平面的方向上有温度梯度，在同一垂直平面 内，各处的温度相同。样品被加热足够时间后，其内部温度分部达到稳定，即达到稳态。此时，样 品的上下端面温度分别恒定在、，则样品垂直方向上平均温度梯度为：， 式中 为样品的厚度。对于性质均匀的样品，根据傅立叶传导方程，可以得出在七时间内通过样品的热量 应满足下式：式中 为样品的热导率，、为样品的厚度和直径，为样品的散热面面积。样品的传热速率一无法直接测量，而当样品传热达到稳定状态时，其上下端 面的温度不变，可以认为通过加热盘传递给样品的热流量与样品传递给散热盘， 并通过散热盘向周围环境散发的热
6、量相等。即此时样品的传热速率和散热体的散 热速率相等，即一一。因此，可以通过获得散热盘在稳定时的散热速率来得到此时样品的传热速度。 同样，散热盘的散热速率也无法直接测量，但散热盘冷却速率是可以测量获得的， 而同等条件下，散热盘的散热速率与冷却速率一存在以下关系：i热(3)式中m、c为散热盘的质量和比热容。冷却速度的定义为单位时间内温度的改变 量。因此，通过测量散热体在温度时的冷却速率一 ，就可以计算出散热 体在温度的散热速率，从而得到待测样品稳态时的传热速率，根据公式(2)、 (3)就可以计算出样品的热导率。 (4)散热盘在稳态时，上表面被样品覆盖，对外散热只有下表面和侧表面，而实 验中，测量
7、散热盘冷却速率时，散热盘上下表面都将暴露在空气中，因此增加了 上表面的散热面积。物体的冷却速率与其散热表面积成正比，因此，稳态时散热 盘的散热速率相对于散热盘冷却时的散热速率应作面积修正，字稳态i 冷却8态，式中，S稳态为散热盘稳态时的散热面积，S冷却为散热盘冷却时的 冷却u散热面积。则公式(4)修正为： (5)式中、为散热盘的质量和比热容，、 为散热盘半径及厚度，、 分别 为样品的厚度与直径。【实验仪器】HLD-PBF-III型导热系数测试仪、铜-康铜热电偶、保温杯、电子天平、游标卡尺。【仪器介绍】一、HLD-PBF-III型导热系数测试仪HLD-PBF-III型导热系数测试仪包含了实验装置
8、、数字电压表、数字秒表、PID自动控温装置，装置示意图如图2所示：图2 HLD-PBF-III型导热系数测试仪示意图实验装置固定于底座的三个支架上，微调螺栓支撑着铝散热盘，散热盘可以 借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。散热盘上安放着底面积相等的样品盘， 样品盘上放置一个同等底面积的圆盘状加热盘。加热盘是由单片机控制的自适应 电加热器，自适应加热器可以由PID自动控温装置控制温度。所使用的数字电 压表、数字秒表都集成在了仪器上。通过旋钮选档可以在数字电压表上分别查看 两只热电偶的温差电动势。PID控温表的面板如图3所示，其设置方法如下：自整定指示灯主控输出指示灯测量值显示窗报警指示灯1报警指
9、示灯2设定值显示窗 功能键数据增加键数据减小键移位键图3 PID控温表面板说明图首先按(SET)功能键，温度设定值个位显示将会闪烁，通过移位键“V”可 以循环选择个位、十位、百位以及千位，按面板上的数据增加键“”或数据减 小键“”来调整设置温度，再次按一下(SET )按键即可完成设置。选择实验 装置加热模式30秒后，仪器开始加热。自动加热模式由控温表控制自适应加热 器到设定温度值，并保持恒定。自适应加热器的温度可通过传感器显示于测量值 显示窗。二、铜-康铜热电偶热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，是利用温差电效应制成的，它直 接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。热电偶是由两种性质不同
10、，但 满足一定要求的导体或半导体材料构成回路，如图4所示：图4热电偶结构及原理图A散热金属板图5铜-康铜热电偶实验装置示意图材料A和材料B构成回路，当两接点a、b的温度不同时，在闭合回路中会 产生电动势，该电动势称为温差电动势，其值与两端的温度满足下面的等式：式中T1是热端温度，T0是冷端温度，其单位为oC，为温度系数，其大小由热 电偶组成材料决定。本次实验采用“铜-康铜”热电偶，其组成如图5所示。其接点1 （热端）放 入待测盘的小孔中，另一接点2 （冷端）放在盛有冰水混合物的保温杯中或者冷 端采用电子补偿，使该接点维持在恒定的0C。因为冷端T0恒定于0C,则热电 偶产生的温差电动势只随热端（
11、测量端）温度的变化而变化，即一定的热电动势对 应着一定的温度。这样，只要测量热电动势就可达到测量温度的目的。实验中采 用的铜-康铜热电偶其温度系数约为 。铜-康铜热电偶的分度表详见附录。【预习思考题】1、如果测量稳态温度时，样品与加热盘、散热盘间有空气间歇，对所测热 导率值将有什么影响？2、待测样品是厚一些好，还是薄一些好？为什么？3、实验过程中，底座风扇有什么作用？【注意事项】1、使用前将加热盘、散热盘面以及样品两端面擦干净。实验时，应保证样 品与加热盘、散热盘接触面位置对应，接触良好。注意：样品不能连续做实验， 必须在室温中降温半小时以上才能做下一次实验。2、实验中加热盘、样品、散热盘等温
12、度比较高，操作时带上护具，合理使 用工具，避免烫伤。3、实验过程中，移动加热盘的操作应先关闭电源。移开后的发热盘一定要 用固定螺钉固定在机架上，以防在实验过程中下滑而造成事故上。4、实验结束后，切断电源，保管好测量样品。不要使样品两端划伤，以至 影响以后实验的精度。【实验内容与步骤】一、测定物体的几何尺寸及质量1、用游标卡尺分别取不同的三个位置测量散热盘的直径、厚度 和待测 样品厚度的，然后取平均值。样品直径 与散热铝盘直径约相等。2、用电子天平单次称量散热盘质量m。二、固定样品，调整整个实验装置1、将样品盘放在散热盘和发热盘之间，要求样品与加热盘、散热盘完全对 准。调节三个微调螺栓，使样品上
13、下两表面分别与发热盘和散热盘紧密接触，但 注意不宜过紧或过松。为保证接触良好，接触面可涂抹少许硅油或导热硅脂。在 安放加热盘和散热盘时，还应注意使放置热电偶传感器的小孔上下对齐。2、将两个铜-康铜热电偶热端传感器分别插入发热盘和散热盘侧面小孔中， 为保证接触良好，可在传感器上抹少些硅油或者导热硅脂，并插到洞孔底部。热 电偶冷端插入盛有冰水混合物的保温杯中或者冷端采用电子补偿。3、接好电源及相关传感器连接线。4、接通导热系数测定仪的电源，开启电源后，预热30分钟。三、加热样品到设定温度1、设置PID自动控温装置温度为80oC。2、为加快加热速度，先选择手动加热模式，选择高温档，直到自适应电加 热
14、器温度升高到60oC后，转换加热方式为自动加热。3、打开主机底部小风扇，形成稳定散热环境。4、当PID控温表测量到自适应加热器温度上升到设定值80。后，控温设置 将自动调节，使自适应加热器温度恒定在80 C。四、测量稳态时样品盘上下两个表面的温度T1和T2。1、每隔两分钟分别观察加热盘和散热盘上热电偶的温差电动势。加热盘和 散热盘的温差电动势10分钟或更长的时间内基本不变，可以认为系统已经达到 热稳定状态。2、分别记录稳态时加热盘和散热盘上热电偶的温差电动势、。五、测量散热盘冷却速度1、切断电源，移开加热盘，取出样品；然后放下加热盘，使发热盘直接覆 盖散热盘，调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良
15、好。2、打开电源，再次设置PID自动控温装置为80oC，加热散热盘。3、当测量散热盘的热电偶温差电动势比稳态时 增加约0.3-0.5mV时，停 止加热，移开加热盘。4、散热盘在空气中自然冷却，每隔20s记录一次散热盘的温差电动势，直 到电压表读数比稳态 低约0.3-0.5mV为止。注意:冷却时保持底座电风扇开启。【实验数据记录及处理】1、记录相关几何尺寸及质量数据。表1散热盘、样品几何尺寸及质量位置1位置2位置3平均值散热盘厚度（hC / mm）散热盘直径 d / mm样品厚度（hB / mm）样品直径史散热盘直径dC-mm ；散热盘半径RC-mm散热盘质量：m-g2、记录稳态时热电偶分别测量加热盘和散热盘的温差电动势、，并通 过附录铜一康铜热电偶分度表查出对应的温度值，即得到稳态时样品上下表面的 温度T1，T2。表2稳态时样品上下表面温度温差电动势8 （mv）温度T（0C）加热盘（样品上表面）T -1:散热盘（样品下表面）T-23、记录散热盘冷却时的温度随时间的变化情况由临近温度T2值的数据中计算冷却速
