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1、闪光法测不良导体热导率摘 要：本实验使用闪光法热导仪测量不良导体热导率，重点介绍了一种测定材料热 物性参数的方法，并依据该方法进行材料热导率的测量。关键词：闪光法 不良导体 热导率1实验目的1、测定不良导体热导率；2、了解一种测定材料热物性参数的方法； 3、了解热物性参数测量中的基本问题；4、学习使用高压脉冲光源和光路调节技术以及用微机控制实验和采集处理数据2 基本知识1、热传导指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换过程。其微观机制是，由自由电子或晶 格振动波作为载体进行热量交换的过程。宏观上是由于物体内部存在温度梯度，发生从高 温区向低温区域传输能量的过程。 2、热导率是反映物质导热能力的
2、重要物性参数，其数值是每单位时间内，在每单位长度上温度 降低1摄氏度时，每单位面积上通过的热量。 3、稳态发和非稳态法测固体材料热导率的方法大体有两类：一类是稳态法，另一类是非稳态法。由于试样 的性质、形状、测试温度范围、加热方式以及测定传递热量的方法各不相同，又有许多不 同的具体方法。非稳态法用的是非稳态导热微分方程，测量的量是温度随时间的变化关系 得到的是热扩散率，利用材料的已知密度和比热容，可以求得热导率。本试验中使用的闪 光法就是非稳态法的一种。3实验原理1、傅立叶导热定律和热导率利用热流密度的矢量形式表示，有傅立叶导热定律：q=-入grad T其中q为热流密度 矢量，表示在单位等温面
3、上沿温度降低方向单位时间内传递的热量。入为热导率。2、材 料热导率的测量方法闪光法工作环境及原理：在一个四周绝热的圆形薄片正面，辐照垂直于圆片正面的均匀脉冲光，测出一维热流条件下试样背面的温升曲线，有曲线找出最大温升的一 半（T1/2）所对应的时间（t 1/2），就可确定热扩散率a,进而再由次材料的比热容c、 密度p即可算出热导率入。热导率计算公式：入=1.38PcL2/n2 11/2（）下图为闪光法原理图图1闪光法测扩散率a的原理图4 实验仪器仪器包括闪光法热导仪（包括高压脉冲氙灯和光源、光学调节系统、待测样品、P-N 结温度传感器、放大电路、AD/DA卡、微机、软件等）。本实验装置分为三部
4、分：光学系统测温系统数据采集和处理系统。装置框图 见图2所示。图2 测量系统示意框图1、光学系统26包含高压脉冲氙灯，氙灯电源，椭球反光镜，样品和样品盒，氙灯及样品的三维调节 装置。实验所用的高压脉冲氙灯形状为直管式。当电极两端加高压600-1000V,极间放电, 发出耀眼的白光。本实验就是利用氙灯的瞬间放电对试样进行加热。2、测温系统它的作用是将其对温度变化的响应以电压形式输出。为了能被微机识别，需将输出信 号放大。两只温度传感器的作用分别是作为测温元件和用于补偿电路中。放大电路中所用 放大器为低噪声场效应运算放大器，信噪比较高，试样为酚醛胶布板、大理石、瓷砖。3、数据采集和处理系统实验中利
5、用D/A转换功能触发光脉冲，同时用A/D转换功能采集由PN结温度传感器 接收到的样品背面的温升信号，由微机屏幕显示出温升曲线。5 实验内容及设计步骤：（1）观察光学系统的结构以及测量系统的接线。因属光学精密仪器，不得擅自调节！（2）开启微机，进入“TC-II闪光法热导仪实验系统”。先在主菜单中选择“文件”项， 在“文件”菜单中选“新建”项，再选择主菜单中“数据”项中的“选项”，设置AD/DA 参数。一般基本项都已设置好，只选“采样极性”，通常为“双极性”。再选“采集与报 警”，只要给定“采集时间”并设定“外触发脉冲”的电压值为0V。确定后，再打开主菜 单的“数据”，选“开始采集”，则系统在指令
6、发出后延迟2s，自动采集数据，因未触发 高压脉冲，此数据为无效数据。（3）开启高压脉冲电源，将电压调到600V。（4）重复步骤（2）,只需将“外触发脉冲”的电压值调节为5V，系统会自动触发高 压脉冲，电源给氙灯加一高压，氙灯闪光，窗口中显示出实时采集的图像，这就是样品背 面采集的温升曲线（见图3） 。27图3 样品背面采集的温升曲线（5）重复测量待测样品的温升曲线，每隔10分钟测一次，共测三次，求出11/2的 值。样品的厚度分别为：酚醛胶布板3.010.01mm、大理石2.940.02mm、瓷砖 2.920.02mm。计算试样材料的热导率入。密度和比热容可利用表1给出的标准值。样品酚醛胶布板瓷
7、砖大理石密度（g/cm2）1.32 2.20 3.07表1三种样品的密度和比热容比热（cal/gC） 0.25 0.17 0.16（6）对同一样品在不加热的情况下取其“温升-时间”曲线，观察由于环境温度的波 动、二极管本身的热噪声等因素对测量结果的影响，给出评价。6实验数据及分析1、数据处理（1）直接从数值矩阵中读取T0 （样品初始温度）和Tm （样品最大温升），算出（T0+ Tm）/2，再用光标及数值矩阵中读取相应的t1/2,计算11/2；（2）用“数据拟合”功能对数据进行多项式拟合，从拟合曲线上求出t1/2,与（1） 中计算出的11/2比较。由于三号微机无法存取图像，故本实验取大理石样品实
8、验数据中的两组以及酚醛胶布28样品中的一组进行处理得表2大理石第一组 原始数据数据拟合散热修正第二组 原始数据 数据拟合 散热修正 to (s) 0.66 0 0.66 to (s) 0.33 0 TO (C) -0.2374 -0.24148 -0.2374 TO (C) -0.2579 -0.24148 tm (s)22.24 26.42 24.66 tm (s)16.14 14.28 Tm (C)-0.1139 -0.11333 -0.1084 Tm (C) -0.1433 -0.11424(T0+ Tm)/2(对应 t1 /2) 11/2 (t1/2- t0)(C)(s) -0.175
9、65 -0.177405 -0.1729 2.96 3.51 3.07 (T0+Tm)/2(对应 t1 /2) 11/2 (t 1/2- 10)(C)(s) -0.2021 -0.177694 3.07 3.51 0.66-0.2374 26.03 -0.1084 -0.1729 3.18 酚醛胶布板(T0+ Tm)/2(对应 11/2) 11/2 (t 1/2- t0)(C)(s) t0(s)T0(C) tm(s) Tm(C) 原始数据 数据拟合 散热修正 0.11 -0.4998 21.15 -0.3476 -0.425 6.32 0 -0.49664 27.03 -0.34692 -0.428 6.87 0.11 -0.4998 27.85 -0.3292 -0.42 7.31 表 2 实验数据(3)由 11/2 及入、P、 c、L计算入本实验取大理石的厚度为0.294cm,取酚醛胶布板的厚度为0.301cm带入公式() 计算得到表3，以便比较29感谢您的阅读，祝您生活愉快。
