固體導熱系數測定系統的設計思路

楊芳 孔偉 周青軍 劉松芬

摘要：工程實踐是我校提高教師基本素養、完善知識結構的一項重要舉措，本文簡要介紹了作者在工程實踐項目中開發的固體導熱系數測量系統的設計原理，并分析了該儀器制備過程中的關鍵點。

關鍵詞：工程實踐；物理教學改革；中國民航大學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）27-0207-02

導熱系數是表征物體熱傳導性質的物理量，常常需要通過試驗來具體測定。測量導熱系數的方法很多，一般分為穩態法和非穩態法兩大類。穩態法是待測樣品內的溫度分布不隨時間變化的穩態溫度場，當樣品達到熱平衡后測出樣品的熱流速率和溫度梯度，就可以測定樣品的導熱系數，常見的穩態法包括：熱板法、保護熱板法、熱流法等。非穩態法是待測樣品內部的溫度分布隨時間是變化的，測出這種變化，得到熱擴散再利用物體已知的密度和比熱求得導熱系數，常見的非穩態法包括：閃光法、熱線法等。各種不同的導熱系數測量方法都有其自身的優點、局限性、應用范圍和方法本身所帶來的不準確性。通過調研和查閱相關資料，我們發現，在普通的實驗室或簡單的工程中，廣泛使用穩態法，這是因為穩態法的設計方案成本低廉，原理清晰，適用于較寬溫區的測量，常用于低導熱系數材料的測量。

一、設計原理

我校穩態法平板法測量物體的導熱系數原理示意圖如圖1。熱量由物體的高溫部分自動地傳遞給低溫部分，稱為熱傳導。根據傅里葉一維熱傳導方程，在物體內部，當熱傳導達到穩態后，導熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比：

其中，λ是比例系數，稱為導熱系數，它表征物質導熱能力的大小，是物質的物理性質之一，它通常用實驗測定，精度要求較高。

大學物理實驗課程中，開設的測量不良導體導熱系數實驗多數采用穩態平板法，即將待測樣品置于加熱銅盤A和散熱銅盤B之間，達到熱平衡后，樣品存在一定的溫度梯度。因為樣品設計得很薄，且厚度不到1cm，小于直徑的六分之一，通常樣品側面散熱常常被忽略不計，認為熱量沿著垂直方向（一維）由樣品盤傳導到散熱銅盤，熱平衡時，樣品盤的導熱速率與散熱盤的散熱速率相等，再通過測量散熱盤的散熱速率推導出樣品的導熱系數。實際上，這樣的測量方式必然導致測量結果與理論值偏差較大。一方面，實驗裝置暴露在空氣中，即使樣品的厚度很薄，但熱量的多向傳導性，樣品側面仍會有一定的熱量散到空氣中，這樣就會導致樣品盤的導熱量與散熱盤的散熱量并不相等；另一方面，散熱盤散熱速率不均勻，導致測量的散熱速率誤差較大；再者，實驗中開啟風扇做強迫對流換熱用，但有研究證明，它比自然對流引起更大的誤差。基于上述原因，我們有必要設計一款真空環境下穩態平板法測量固體材料的導熱系數的系統。

二、儀器制備關鍵點

我們的設計思想是利用傅里葉熱流傳導原理，通過溫控系統對加熱銅盤進行溫度預設定，同時利用現代計算機技術、溫度傳感技術以及基礎物理原理進行溫度的實時采集、傳輸和數據分析。該系統測定精度將以橡膠材料導熱系數值為參照對象進行標定。我們旨在搭建一個用于測量薄平板狀固體樣品導熱系數小型系統，采用導熱性好的純銅作為熱板和冷板。通常情況下，導熱系數與材料的組成、結構、密度、濕度、環境溫度、風速等影響因素有關。因此，為了避免裝置暴露在空氣中，我們需要設計一款產生真空環境的箱體，該箱體的形狀、大小、承受氣壓大小、高度、厚度等等都需要經過嚴格的計算，我們利用工程設計軟件計算了兩種形狀的箱體結構，并確定出鐘罩為首選，如圖2、3所示。

整套儀器主要包括如下三個組件：真空腔體、熱系統、數據分析系統，為了保證該儀器能夠長期穩定運行，我們通過大量前提調研以計算機模擬得出如下幾個需要注意的關鍵點：（1）設計用有機玻璃材料制作透明真空罩時，注意有機玻璃的厚度；（2）加熱源和溫度傳感器的走線口位置，以及對真空罩的密封性處理；（3）建立真空熱流法測量薄板狀固體材料導熱系數的物理模型；（4）溫度傳感器的測溫、控溫系統設計需要簡潔高效。

三、結論

本文分析了固體導熱系數測定系統的設計原理，并給出了儀器制備的關鍵點，基于上述思路我們開發出了一款實用的教學設備，更為詳細的介紹將在以后的文章中給出。

參考文獻：

[1]張紅佳，郭永利，李正，姜蕓.真空熱流法測定不良導體的導熱系數[J].物理實驗2012，（09）：5-7.

[2]達道安.真空設計手冊[M].國防工業出版社，2004.