[发明专利]一种测量柱状隔热材料热物性的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料热物性测量技术领域，特别是提供了一种通过一次测量可同时获得多个热物性参数的新测量方法，通过测量被测样品中一个点的温度变化，确定正交各向异性隔热材料径向热导率、轴向热导率和体积热容的方法。

背景技术

材料热物性参数是认识、了解和评价材料传热性能优劣最基本的物理参数之一，是对特定热传导过程进行基础研究、分析计算和工程设计的关键参数。准确测量热物性参数对能源利用、建筑节能、航空航天、新材料开发、环境保护以及核能利用等多领域的发展具有重要意义。纤维隔热材料在各领域均有广泛的应用，其热导率数据随制造工艺、材料结构、纤维铺层方式和走向、添加剂含量的不同而不同，呈现出典型的各向异性特征。

近年来，随着科学技术发展和工业应用的迫切需求，具有导电和导热性好、比强度和比模量高、化学稳定性优良、韧度和抗热冲击性高、耐热性好等诸多优点的纤维隔热材料材料，不仅在航空航天、核能利用等尖端工业中，而且在汽车造船、建筑桥梁、电子机械制造、医疗体育等各个领域都得到了广泛的应用。其热物性数据的准确测量不仅是材料性能评价及可靠性分析的根本基础，也对提高材料的设计与制造水平、满足我国国民经济和国防领域的标准数据需求等方面都具有重要意义。

发达国家非常重视材料热物性测量的重要性，相继建立了完善系统的热物性测量机制和机构，如美国的NIST、英国的国家物理实验室(NPL)、德国的物理技术研究院(PTB)、俄罗斯科学院的高温研究所和热物理研究所等国家计量研究院等。另外，美国普渡大学、日本庆应大学、英国曼切斯特大学、德国慕尼黑工业大学和卡罗斯大学等高等院校都建有比较齐全的材料热物性测量装置。这些发达国家相继建立了本国的热物性测量国家标准或行业标准，如美国的ASTM、德国的DIN、日本的JIS、英国的BS等，此外还有国际标准ISO。我国的热物性测量始于上世纪五十年代，主要集中在科研院所和部分高校。中科院金属研究所、中科院上海硅酸盐研究所、航天一院703所、建材院、中国计量科学院和清华大学、北京科技大学等单位在材料热物性测试方法的探索和实验装置的研制方面进行了较为系统研究。中科院上海硅酸盐研究所早在1973年就成功研制出激光闪光法导热系数测量装置，中国计量科学院对稳态导热仪、自动隔热量热计进行过详细研究，中科院金属研究所利用激光闪光发对金属材料的热物性进行过系统研究，清华大学近年来在薄膜热扩散系数测量方面卓有成效，北京科技大学最近在平面热源法应用于1200℃以上材料热物性的测量方面取得了显著成果，另外其他高校、科研单位或企业或自制设备或购买设备，也建立了适用于不同材料的热物性测量实验装置。

迄今为止，尽管国内外在热物性测量方面进行了大量卓有成效的研究，建立了具有材料针对性的测试装置并制定了相应的测量标准。但是，目前现有成熟的热导率测量方法如热带法、热线法、hot-disk等，均基于各项同性材料的原理模型，不适于纤维材料的热导率测量。而保护热板法、平面热源法等，则需要多次变换测量方向才能确定材料不同方向的热导率，增加了实验的复杂性和误差。因此，迫切需要开发一种通过一次测量就能准确高效地确定各向异性材料不同方向热导率的测量方法。

发明内容

本发明的目的在于：提供通过一种通过一次测量可同时获得正交各向各向异性纤维隔热材料径向热导率、轴向热导率和体积热容的方法。

为了实现上述目的，提供了一种通过测量被测样品中的一点温度来确定材料的正交各向热导率和体积热容。

本法发明的技术方案是：一种测量柱状隔热材料热物性的方法，具体步骤如下：

步骤1：对高度为0.01m～0.05m、半径为0.01m～0.10m的柱状正交各向各向异性隔热材料，建立了柱坐标中特定形式热干扰作用下的二维柱坐标传热模型，其控制方程如式1所示：

其初始条件和边界条件如式2所示：

T(r,z,τ)|_τ＝0＝T₀(式2a)，

T(r,z,τ)|_z→∞＝T₀(式2c)，