材料導熱系數實驗教學研究

劉素霞++范秀風++張利文++陳義勝++張力++羅龍

【摘要】導熱系數是描述材料熱傳導性最為重要的熱物性參數，應用特別廣泛，但是熱傳導原理較為抽象，難于將理論應用于實踐。材料導熱系數實驗教學涵蓋了熱傳導原理、實驗操作、結果分析，初步探討了以激光閃射法為主的實驗教學方法，將理論應用于實踐，培養學生的動手能力，為以后工作測試及科學研究服務。

【關鍵詞】導熱系數 ?實驗 ?教學

【課題項目】內蒙古大型科學儀器開放共享試點建設。

【中圖分類號】N45 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-3089（2016）35-0207-01

導熱系數與熱擴散系數是描述材料熱傳導性最為重要的熱物性參數，其廣泛的應用于建筑材料、陶瓷材料、金屬材料、復合材料、涂層材料、保溫材料、高分子材料等多個領域。如：肖建莊等通過測量混凝土導熱系數考察了包括骨料體積分數、水灰比、骨料類型、外摻料摻量、溫度等因素對混凝土導熱系數的影響[1];呂兆華針對泡沫型多孔介質導熱系數進行了理論計算和實驗測試一致性研究，結果表明熱輻射在多孔介質傳熱中有重要作用[2];孟春玲等提出了一種米飯導熱系數的測量方法，為自熱食品的后續研究提供基礎和理論依據[3]。

導熱系數測定實驗是無機非金屬材料專業的基礎實驗，目前實驗還不完善。導熱系數的測試方法有很多種，結合教學資源，采用激光閃射法測導熱系數作為實驗教學課程。激光閃射法（LFA）是一種快速靈活的測量方法，近年來發展十分迅速，不僅能精確地直接測量熱擴散系數，也可通過比熱的測量或輸入進一步計算得到導熱系數。通過本實驗教學不僅可以讓學生將熱傳導理論應用于實踐，還可以了解激光導熱儀（LFA）的測量原理及操作技術，為以后工作測試及科學研究服務。

一、導熱系數測定的實驗教學

1.實驗目的

（1）通過講解讓學生了解材料熱傳導的原理、分類、測試方法及導熱系數在實踐中的應用。

（2）通過現場實驗演示，讓學生了解激光導熱儀的工作原理，及簡單的實驗操作步驟及注意事項。

（3）通過舉例分析，讓學生理解材料熱擴散系數、比熱及密度（膨脹量）之間的關系，學會數據處理及結果分析。

2.實驗原理及設備

材料的導熱性能測試方法很多，大體可分為穩態法與瞬態法。穩態法測量材料的溫度范圍與導熱系數范圍較窄， 主要適用于在中等溫度下測量中低導熱系數材料。瞬態法測量的溫度范圍較為寬廣， 尤其適合于高導熱系數材料以及高溫下的測試。激光閃射法（LFA）屬于瞬態法，應用特別廣泛，包括陶瓷、玻璃、金屬、熔融物、液體、粉末、纖維與多層材料等各種材料，從低導熱材料直至最高導熱系數的金剛石，都可在相同的速度與精度下進行測量。

本實驗教學設備是德國耐弛額激光導熱儀 LFA 427，可測量基片上金屬、陶瓷、聚合物薄膜的熱物性參數，如熱擴散系數、熱導率、吸熱系數和界面熱阻等。測量的溫度范圍為RT（室溫）-1650 ℃;升降溫速率為0.01-50 ℃/min;激光能量為25 J/pulse;樣品直徑為12.3-12.7 mm;樣品厚度為0.1-4 mm。

激光導熱儀的工作原理如下：在爐體控制的一定溫度下，由激光源發射光脈沖均勻照射在樣品下表面，使試樣均勻加熱，通過紅外檢測器連續測量樣品正面的溫度隨時間變化，得到溫度（ 檢測器信號） 升高和時間的關系曲線（圖1）。

圖1 ?激光導熱儀原理與激光信號圖

熱量在樣品內部的傳導過程為理想的由下表面至上表面的一維傳熱，不存在橫向熱流，且外部測量環境為理想的絕熱條件，則通過半升溫時間t1/2[在接收光脈沖照射后樣品上表面溫度（檢測器信號）升高到最大值的一半所需要的時間]，由修正公式1直接得出樣品的熱擴散系數。

？琢=0.1388×?公式1

式中：？琢為熱擴散系數，mm2/s;d為材料的厚度。

在已知溫度下的熱擴散系數、比熱與密度的情況下便可計算得到導熱系數。密度一般在室溫下測量，其隨溫度的變化可使用線膨脹系數表進行修正;比熱可使用文獻值、可使用 DSC 等方法測量，也可在 LFA 中使用比較法與熱擴散系數同時測得。如公式2所示：

？姿=？琢×？籽×Cp 公式2

式中：？姿為導熱系數，W/（m·K）;Cp 為比熱，J/（g·K）;？籽為密度，g/cm3。

3.操作步驟

（1）試樣的準備：

a.樣品要求：直徑為6mm，厚度為2-4mm的圓柱體。

b.多次測量樣品的厚度，取平均值。

c.對于高反射或透明樣品，需在樣品兩個表面噴碳和噴金。

（2）測試步驟

a.在紅外檢測器內注入液氮，30分鐘后檢測器穩定。

b.打開測量電源，打開路子加熱單元電源，打開恒溫水浴（設定溫度比室溫高2-3度） ，打開激光電源單元。

c.開機后調節吹掃氣輸出壓力及等待流速穩定。

d.打開爐子，裝樣，關閉爐子。

e.抽真空后，充入保護氣體，反復三次。

f.打開計算機測量軟件，設定測量參數，開始測量。

4.結果分析

實驗樣品為氧化釔陶瓷材料，升溫速率為10℃/min，溫度點取200℃、400℃、600℃、800℃;每個溫度點取3個值。測試結果為陶瓷材料的熱擴散系數，為了得到材料的導熱系數還需進行比熱測試。比熱測試也可采用激光導熱儀進行測試，參比樣品為石墨樣品，測試條件與陶瓷材料一致，通過對比石墨樣品比熱數據庫導出測試樣品比熱。材料密度可根據熱膨脹實驗進行修正。最后根據熱擴散系數、比熱及膨脹量推算出材料的導熱系數。

以陶瓷導熱系數實驗為例，讓學生了材料熱傳導過程，明確解激光電壓、脈沖寬度、放大增益、采樣時間、半升溫時間、材料熱擴散系數、比熱、膨脹量、導熱系數的概念及相互關系;理解整個實驗流程、關鍵環節及注意事項，學會如何用熱傳導原理分析實驗結果，為今后的工作測試、科研研究服務。

二、實驗教學效果

材料的導熱系數測定實驗教學涉及熱傳導、激光閃射法的原理、激光導熱儀的實踐操作及結果分析，將熱傳導理論應用于實例，使理論不再抽象，不僅培養了學生的動手能力，還可以為以后的工作測試、科學研究提供測試手段和理論支撐。

參考文獻：

[1]肖建莊，宋志文，張楓.混凝土導熱系數試驗與分析[J].建筑材料學報.2010（02）：17-21.

[2]呂兆華.泡沫型多孔介質等效導熱系數的計算[J].南京理工大學學報.2001 （118）：257 -261.

[3]孟春玲，劉廣偉，梁韜，趙秀華，李彤.米飯導熱系數測量方法的研究[J].食品科學技術學報.2015：67-73.