一種可同時測固體材料導熱系數及熱擴散率的方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種可同時測固體材料導熱系數及熱擴散率的方法及系統，即利用超級恒溫水浴作為熱源，與試樣盒底部的黃銅板形成恒溫邊界，溫度均勻性和穩定性好，易于實現；而且直接基于恒溫邊界一維非穩態傳熱模型，利用參數估計法測固體材料導熱系數及熱擴散率，避免了對數學模型過度簡化造成的誤差。此外，根據比熱容參數估計靈敏度較低，估計誤差較大的情況，采取了先估計熱擴散率，然后對比熱容估計值進行校正的策略，實現了對材料導熱系數、比熱容和熱擴散率的同時準確估計。
【專利說明】一種可同時測固體材料導熱系數及熱擴散率的方法及系統
【技術領域】
[0001] 本發明屬于固體材料熱物性參數測試【技術領域】，具體涉及一種可同時測固體材料 導熱系數及熱擴散率的方法及系統。
【背景技術】
[0002] 隨著我國對節能及能源利用效率的日益重視，材料熱物性及其測試方法方面的研 究方興未艾。固體材料熱物性測試總體上分為穩態法和非穩態法，穩態法測試由于所需時 間長、測試環境要求高，而不能適應現代科技迅速發展的需要，非穩態法應運而生并因為其 具有快速、準確、可實現多參數測量的優勢而得到了更為廣泛的應用。然而，非穩態法在實 際應用中也存在一些問題，例如目前多采用加熱板、加熱絲、加熱棒等固態電熱器作為加熱 熱源，存在著熱源熱流密度的準確給定、加熱探頭熱容及時間延遲性、熱絲電阻溫度依變性 和功率波動等問題，這些問題在一定程度上影響了熱物性參數測試的精度。近年來，發展了 一種陶瓷基底刻蝕雙螺旋鉬金屬絲加熱膜，熱穩定性好且厚度極薄，可有效提高材料熱物 性測試精度，但成本不菲且制作困難，難以推廣應用。因此，目前尚無一種精度理想的可同 時測固體材料導熱系數及熱擴散率的方法及系統。
【發明內容】
[0003] 本發明要解決的技術問題是提供一種可同時測固體材料導熱系數及熱擴散率的 方法及系統，以克服目前不能同時測試固體材料導熱系數和熱擴散率及其測試精度不理想 的缺陷。
[0004] 為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：
[0005] -種可同時測固體材料導熱系數及熱擴散率的方法，具體實現步驟為：
[0006] 步驟1 :通過超級恒溫水浴產生具有一定溫度的恒溫水介質；
[0007] 步驟2 :將試樣放入底部為黃銅板材質的試樣盒，試樣盒底部與恒溫水介質接觸， 形成恒溫邊界下的一維非穩態傳熱過程，試樣內溫度響應解析解為：
[0008]
【權利要求】
1. 一種可同時測固體材料導熱系數及熱擴散率的方法，其特征在于：具體實現步驟 為： 步驟1 :通過超級恒溫水浴產生具有一定溫度的恒溫水介質； 步驟2:將試樣放入底部為黃銅板、上表面和側面用絕熱材料密封的試樣盒，試樣盒 底部與恒溫水介質接觸，形成恒溫邊界下的一維非穩態傳熱過程，試樣內溫度響應解析解 為：
(1) 式中Θ (X，τ)為過余溫度，Θ =t-tw，t為試樣溫度，tw為黃銅板恒溫溫度；熱擴散率 a= A/(pCp), λ為導熱系數，p為試樣密度、Cp為比熱。 式（1)為無窮級數，無法直接求解；而由于恒溫邊界條件等價于畢渥數Bi -c?時的熱 對流邊界條件，從而式（1)可改寫為：
(2) 式中βη為超越方程ctgi3 = β/^的系列解，對應不同的&數，βη值具體可查表，而 在Bi-c?時βι = L 5708, βη= h+fe-DXji (n= U，…），顯然在試樣密度ρ、導熱 系數λ、比熱容Cp及厚度δ物理參數已知的情況下，可計算得到試樣內任意位置X任意時 刻τ的溫度分布情況，此即恒溫邊界條件下的非穩態傳熱數學模型； 步驟3 :在該數學模型的基礎上，利用參數估計法得到被測材料的熱擴散率、比熱容和 導熱系數。
2. 根據權利要求1所述的可同時測固體材料導熱系數及熱擴散率的方法，其特征在 于：所述參數估計法采用先估計熱擴散率，然后對比熱容估計結果進行修正，實現被測試樣 導熱系數、熱擴散率和比熱容多個參數同時準確獲取。
3. -種根據權利要求1?2之一所述的可同時測固體材料導熱系數及熱擴散率方法的 系統，其特征在于：包括超級恒溫水浴、試樣盒和溫度采集與分析系統，所述超級恒溫水浴， 用于形成恒溫邊界條件；所述試樣盒，用于測定除板狀成型材料外的松散物料與恒溫水介 質接觸形成恒溫邊界；所述溫度采集與分析系統，用于采集試樣絕熱側表面溫度變化，以基 于數學模型計算得到被測試樣的導熱系數及熱擴散率。
4. 根據權利要求3中所述的可同時測固體材料導熱系數及熱擴散率方法的系統，其特 征在于：所述超級恒溫水浴生成具有一定溫度的恒溫水介質，通過與試樣盒底部接觸形成 恒溫邊界。
5. 根據權利要求3所述的可同時測固體材料導熱系數及熱擴散率方法的系統，其特征 在于：所述試樣盒的內腔尺寸滿足長與厚的比值大于8?10,寬與厚度的比值大于8?10。
【文檔編號】G01N25/20GK104215660SQ201410415796
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月21日 優先權日:2014年8月21日
【發明者】陳清華, 董長帥, 龐立, 黎賢東, 吳亮, 袁力, 徐曼曼, 呂云逸 申請人:安徽理工大學