[发明专利]一种瞬态平面热源法测试材料导热系数的方法

说明书

技术领域

本发明属材料性能检测领域，主要是利用平面热源测试方法对建筑用材料导热系数和热扩散系数进行检测。具体方法为，将探头放置于两个样品中间，给探头施加恒定直流电，探头放热后样品内部产生动态温度场，同时探头表面产生温升，此时探头电阻增加，使电桥测试系统中原平衡电桥失衡，产生电位变化量。通过记录测试期间不同时刻电参数的变化量，计算得出温度增值随时间变化的函数。通过对函数曲线的拟合和计算得出样品的导热系数和热扩散系数。

背景技术

热扩散系数和导热系数是主要的热物性参数之一，目前在已建立的各种测试方法中，根据其传热特点大致可归纳为稳态法和瞬态法。

稳态法是指当待测试样上温度分布达到稳定后，即试样内温度分布是不随时间变化的稳定的温度场时，通过测定流过试样的热量和温度梯度等参数来计算材料的导热系数的方法。它是利用稳定传热过程中，传热速率等于散热速率的平衡条件来测量导热系数。稳态法具有原理清晰、模型简单、可准确直接地获得热导率绝对值等优点，并适于较宽温区的测量；缺点是实验条件苛刻、测量时间较长；稳态法中，为了获得准确的热流，需要严格保证测试系统的绝热条件，附设补偿加热器并增加保温措施，以减小边缘热损失；另外稳态法主要用于测量固体材料的导热系数，而要把它用于研究湿材料会遇到很大困难，因为试样会由于长时间保证一定的温度场而引起含湿量的变化，这将导致导热系数的测量结果不正确。

随着新材料的发展，对测试速度的要求大大提高，而且因为新材料的多样性，传统的方法获得的参数并不能准确反映材料的性质，传统的模型也不能准确反映所要研究的过程，因此广泛应用瞬态法。瞬态法是指实验测量过程中试样温度随时间变化，通过测量试样内某些点温度变化的情况以及其他一些需要的参数，从而确定试样导热系数的方法，其分析的出发点是非稳态导热微分方程。本发明主要依据瞬态平面热源法测试。在瞬态测试方法中，试样内的温度分布是随时间变化的非稳态温度场，借助测试试样温度变化的速率，就可以测量试样的热扩散率，从而得到试样的导热系数。由于采用具有热阻性的材料同时作为热源和温度传感器，瞬态平面热源技术能够覆盖较大的热导率范围，因而可以同时适用于各种不同类型的材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以测量多种样品如：块状样品、单轴各向异性样品、薄片样品、薄膜样品，且控制精度高、检测周期短、测试结果准确的材料导热系数和热扩散系数的测试装置并通过该装置实现瞬态平面热源法测试材料导热系数的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

本发明的测试装置主要包括探头、电桥测试系统、数据采集及分析系统等(见图1)；

所述探头内部是双螺旋结构，电阻值为1Q-50Q之间，由10(±2)μm厚的金属薄片刻蚀而成，两侧由厚度为7μm-100μm的绝缘薄膜包裹，直径D在4mm-100mm之间。金属薄片选择电阻率温度系数高、稳定性好的镍和钼；绝缘薄膜应根据使用温度选择聚酰亚胺、云母、氮化铝和氧化铝等可忽略热容量的材料。探头的测温装置可以准确感应被测样品的温度信息。双螺旋结构螺旋线源的宽度应与其间距相等，探头直径为4mm-15mm之间的双螺旋结构的间距应为(0.2±0.03)mm；其他直径探头的双螺旋结构的间距应为(0.35±0.05)mm。

测试时，探头被夹在两片样品中间，形成类似三明治的结构，在探头上通过恒定输出的直流电，由于温度的增加，探头的电阻发生变化，从而在探头两端产生电压下降，通过记录在一段时间内电压和电流的变化，可以较为精确地得到探头和被测样品中的热流信息。

所述电桥测试系统(见图2)，电桥的供电电源应在(0-20)V范围内调节，最大电流不超过1A。电桥系统中探头及其引线与电阻Rs相串联，其中Rs电阻值与探头及其引线的初始电阻值(Ro+RL)相近，且在测试过程中保持不变。数字电压表接于两元件之间，且电阻应大于探头电阻与Rs电阻值和的100倍，分辨率应达到6.5数位，是电源周期变化的整数倍。