一種導熱系數測定裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明是涉及一種導熱系數的測定裝置，特別涉及測量固體材料的導熱系數的測 定裝置。
【背景技術】
[0002] 材料的導熱系數是研宄材料物理性能的一個重要參數指標，在科研，教學，生產等 部門都要求對材料的導熱系數進行預測或實測。導熱系數是反映材料導熱性能的物理量， 它不僅是評價材料的熱學性的依據，而且是材料在應用時的一個設計依據，所以在科學實 驗和工程技術中對材料的導熱系數的測定成為開發新材料的關鍵。
[0003] 目前測量材料的導熱系數主要有以下三種方法：
[0004] 一、激光閃射法。該方法采用的是瞬態法，原理是一束激光打在樣品上表面，用紅 外檢測器測試下表面的溫度變化，實際測得的數據是樣品的熱擴散率，通過與標準樣品的 比較同時得到樣品的密度和比熱，通過公式可計算得到樣品的導熱系數。該方法優點是測 量快速，采用非接觸法，適合高溫，高導熱的樣品，但不適合多層結構、涂層、泡沫、液體、各 向異性材料等。原因是激光法測試的是熱擴散率，數學模式建立在各向同性材料的基礎上。 另外，還需要用其他方法測得密度，才能折算為導熱系數，增加了誤差的來源。
[0005] 二、導熱系數法。該方法采用的同樣是瞬態法，原理是利用熱阻性材料一一鎳做成 一個平面的探頭，同時作為熱源和溫度傳感器。鎳的熱阻系數與溫度和電阻的關系呈線性 關系，即通過了解電阻的變化可以知道熱量的損失，從而反映樣品的導熱性能。通過記錄溫 度與探頭的響應時間，材料的這些特性可以被計算出來。由數學模型可以直接得到導熱系 數和熱擴散系數，兩者的比值得到體積比熱。優點是快速，便捷，無須特別的樣品制備，可用 于原位/單面測試，適用于固體、粉末、液體、涂層、蜂窩材料等多種類型的樣品，但受探頭 表面涂層的限制，溫度范圍只能到700°C，且探頭成本較高，設計復雜，不能有效推廣。
[0006] 三、溫度梯度法。該方法是將待測樣品置于熱源與低溫制冷裝置之間，當溫度分布 達到穩定后，通過測量流過試樣的熱流量和溫度梯度等參數，計算出材料的導熱系數。理想 狀態下，熱源的所有熱量通過待測樣品傳遞至低溫制冷端，實際上會不可避免的有一部分 熱量從其它方向散出，這不可避免的導致同一樣品的橫截面內存在溫度梯度，從而導致測 量誤差，降低測量的準確度。同時，在待測樣品與熱源和冷端之間必然存在接觸熱阻，從而 導致測量數據的不準確。因此，該方法測量精度主要取決于兩個方面：一方面，如何減少熱 量在傳遞過程中從其它方向散出；另一方面，減少接觸熱阻。目前，從國內外的文獻來看，一 般會使用絕熱材料做為絕熱層用以將熱源與外界隔絕，盡量減少熱量的損失，但仍會有部 分熱量向外傳導，在這種情況下如何提高檢測的精度成為主要技術問題。該方法的理論基 礎是傅里葉導熱定律，如式（1)所述。
【主權項】
1. 一種導熱系數測定裝置，其特征在于；該裝置包括；測試腔巧）、熱端加熱系統（10)、 冷端冷卻系統（14)、抽真空系統（12)、溫度采集和處理系統（13)、壓力控制系統（11);測試 腔內設置一測試臺（15)，測試臺整體為上下結構，自下而上依次為加熱塊巧）、下壓頭（7)、 待測試試樣巧）、上壓頭（2)、冷卻塊（1);在所述上下壓頭表面設置測溫傳感器組（3)，測溫 傳感器組連接所述溫度采集系統（13);所述加熱塊（8)與熱端加熱系統（10)連接，所述冷 卻塊（1)和冷端冷卻系統（14)連接，溫度采集和處理系統（13)適時完成數據采集、在線處 理和測試結果輸出。
2. 根據權利要求1所述的一種導熱系數測定裝置，其特征在于，所述測溫傳感器組（3) 為沿上下壓頭橫截面方向上分別設置的第一組測溫傳感器、第二組傳感器和第=組傳感 器，其中，第一組測溫傳感器為同一平面內沿徑向均布的S個第一測溫點（3-A)、第二測溫 點（3-B)和第S測溫點（3-C)，第二組和第S組測溫傳感器設置方式與第一組測溫傳感器 相同。
3. 根據權利要求2所述的一種導熱系數測定裝置，其特征在于，所述溫度采集和處理 系統（13)將上下壓頭各S組測溫傳感器所測的溫度值進行處理，擬合后計算得出導熱系 數。
4. 根據權利要求1或2所述的一種導熱系數測定裝置，其特征在于，在所述上下壓頭之 間設置一限位環（4)。
5. 根據權利要求4所述的一種導熱系數測定裝置，其特征在于，所述限位環的材質為 保溫效果好的陶瓷材料，形狀為圓環形，有一內凸緣。
6. 根據權利要求1所述的一種導熱系數測定裝置，其特征在于，在所述待測試試樣與 上下壓頭之間分別設置高導熱柔性薄片（16)，所述的高導熱柔性薄片由碳材料和粘結材料 組成，薄片的厚度為10 ym-lmm。
7. 根據權利要求6所述的一種導熱系數測定裝置，其特征在于，所述的碳材料為碳納 米管、碳纖維、石墨締中的一種或幾種，所述的粘結材料為高導熱性有機高分子聚合物。
8. 根據權利要求7所述的一種導熱系數測定裝置，其特征在于，所述的碳材料在薄片 內規則排列，a-b軸方向與傳熱方向基本相同。
9. 根據權利要求1或2所述的一種導熱系數測定裝置，其特征在于，所述測試腔（9)與 抽真空系統相連，在密閉狀態下能夠承受達10化的真空度。
10. 根據權利要求1或2所述的一種導熱系數測定裝置，其特征在于，在所述測試臺 (15)外圍設置保溫絕熱材料層化）。
【專利摘要】本發明涉及一種導熱系數測定裝置，包括測試腔、熱端加熱系統、冷端冷卻系統、抽真空系統、溫度采集系統、壓力控制系統；測試腔內設置一測試臺，測試臺整體為上下結構，自下而上依次為加熱塊、下壓頭、待測試試樣、上壓頭、冷卻塊。本發明通過測溫點的橫向多點設置來模擬待測試樣品的橫向溫度梯度，通過多點溫度的測試來客觀反映待測試樣品的傳熱特性，借助數據處理后得出更加客觀的導熱系數數值。同時，本發明在待測試試樣和壓頭間設置高導熱柔性薄片，減少接觸熱阻，提高測試數值的準確性。此外，本發明在壓頭間設置限位環，以保證在測試柔性樣品時的測試可操作性和精確度。本發明大大提高了導熱系數測試的準確性和客觀性。
【IPC分類】G01N25-20
【公開號】CN104535609
【申請號】CN201410820836
【發明人】王正, 戴德盈, 吳鵬章, 李柯穎
【申請人】怡維怡橡膠研究院有限公司
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月26日