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热导率的测量 热导率的定义与物理基础 如果把晶格热运动系统看成是声子气体,平均声子数由温度决定 导热系数随材料的成分、结构和温度变化很大,用实验方法测定导热系数几乎成为研究物质导热系数的唯一途径。一般来说,金属的导热系数最大,非金属固体次之,液体较小,气体最小。表列举了一般情况下各类物质的导热系数的大致范围,其中数据表明了气体、液体和固体的导热系数的数量级范围。 固体的导热系数 在所有固体中,金属是最好的导热体,大多数纯金属的导热系数随温度升高而降低。金属的纯度对导热系数影响很大,其导热系数随其纯度的增高而增大,因此合金的导热系数比纯金属要低。 非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数与温度、组成及结构的紧密程度有关,一般 ?值随密度增加而增大,亦随温度升高而增大。对大多数均质固体,其?值与温度近似呈线性关系,即 液体的导热系数 由于液体分子间相互作用的复杂性,液体导热系数的理论推导比较困难,目前主要依靠实验方法测定。 液体可分为金属液体(液态金属)和非金属液体。液态金属的导热系数比一般的液体要高。大多数金属液体的导热系数均随温度的升高而降低。 在非金属液体中,水的导热系数最大。除水和甘油外,大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高而降低。液体的导热系数基本上与压力无关。一般来说,纯液体的导热系数比其溶液的要大。溶液的导热系数在缺乏实验数据时,可按纯液体的?值进行估算。 气体的导热系数 与液体和固体相比,气体的导热系数最小,对热传导不利,但却有利于保温、绝热。工业上所使用的保温材料,如玻璃棉等,就是因为其空隙中有气体,所以其导热系数较小,适用于保温隔热。 气体导热系数随温度升高而增大。在相当大的压强范围内,气体的导热系数随压强的变化很小,可以忽略不计,仅当气体压力很高(大于2000大气压)或很低(低于20毫米汞柱)时,才应考虑压强的影响,此时导热系数随压强增高而增大。 目前,测定这一热物性的方法就温度与时间的变化关系而言,可以分为稳态和非稳态两大类 稳态测量法: 具有原理清晰,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,缺点是比较原 始、测定时间较长和对环境(如测量系统的绝热条件、测 量过程中的温度控制以及样品的形状尺寸等)要求苛刻。 常用于低导热系数材料的测量, 其原理是利用稳定传热 过程中, 传热速率等于散热速率的平衡条件来测得导热 系数。 热流计法 热流计法是一种基于一维稳态导热原理的比较法。如图所示,将厚度一定的方形样品插入两个平板间,在其垂直方向通入一个恒定的单向的热流,使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流,传感器在平板与样品之间和样品接触。当冷板和热板的温度稳定后,测得样品厚度、样品上下表面的温度和通过样品的热流量,根据傅立叶定律即 可确定样品的导热系数: 上法适用于导热系数较小的固体材料、纤维材料和多空隙材料,例如各种保温材料。在测试过程中存在横向热损失,会影响一维稳态导热模型的建立,扩大测定误差,故对于较大的、需要较高量程的样品,可以使用保护热流计法测定,该法原理与热流计法相似,不同之处是用在周围包上绝热材料和保护层(也可以用辅助加热器替代),从而保证了样品测试区域的一维热流,提高了测量精度和测试范围。但是该法需要对测定单元进行标定。 保护热板法 保护热板法的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似。适用于干燥材料,一般采用双试件保护平板结构, 在热板上下两侧各对称放置相同的样品和冷板一块,如图所示,试件周围包有保护层,主加热板周围环有辅助加热板,使辅助加热板与主加热板温度相同,以保证一维导热状态。当达到一维稳态导热状态时,根据傅立叶定律得: 圆管法 圆管法是根据长圆筒壁一维稳态导热原理直接测定单层或多层圆管绝热结构导热系数的一种方法。要求被测材料应该可以卷曲成管状,并能包裹于加热圆管外侧,由于该方法的原理是基于一维稳态导热模型,故在测试过程中应尽可能在试样中维持一维稳态温度场. 以确保能获得准确的导热系数。为了减少由于端部热损失产生的非一维效应.根据圆管法的要求,常用的圆管式导热仪大多采用辅助加热器,即在测试段两端设置辅助加热器,使辅助加热器与主加热器的温度保持一致,以保证在允许的范围内轴向温度梯度相对于径向温度梯度的大小,从而使测量段具有良好的一维温度场特性。其结构如图所示。 在实验中,测定应在传热过程达到稳态时进行,同时加热圆管的功率要保持恒定,试样内外表面的温度可由热电偶测出。另外,为保证热流在被测材料中的单向性,试样外表面温度应该控制在环境温度以下。通过实验对保护热板法和圆管法进
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