非稳态法测量导热系数
1. 测量导热系数的稳态与非稳态方法及特点
从十八世纪中叶由富兰克林开始对固体的导热能力进行实验以来，己经经历了二百多年.其间发展了多种多样测量物质的导热系数的方法。方法名称众第一章文献综述多，主要是根据导热过程的宏观机理、导热热流在试样上的流向、试样的形状、热流与时间的函数关系以及是否直接测量热流量等方面来区分。一般可分为稳态法和非稳态法两大类。
稳态法指的是实验中待测试样上温度分布达到稳定后进行测量，其分析的出发点是稳态的导热微分方程，能直接测得导热系数。其特点是实验公式简单，实验时间长，需要测量导热量(直接或间接地)和若干点的温度。
非稳态法指的是实验测量过程中试样温度随时间变化，其分析的出发点是不稳态导热微分方程。非稳态方法以其快速准确的特点近年来发展很快。测量原理是对处于热平衡状态的试样施加某种热干扰，同时测量试样对热干扰的响应(温度或热流随时间的变化)，然后根据响应曲线确定热物性参数的数值。在非稳态测量方法中，测量信号是时间的函数，因而可以分别或同时得出导热系数以及由几和RC，组合而成的参数如热扩散率、蓄热系数等。
近年来 ,由X.X. ZH ANG和A.De giovanni等对非稳态方法作了大量新的系统研究，认为非稳态法的主要区别在于:(1)热干扰的形式;(2)测量信号的种类;(3)问题的几何特征。
4. 非稳态平面热源法测量物体导热系数
（1）方法介绍
导热系数(或热导率)直接表征物质的导热能力,是材料的重要热物理性质。测量的方法一般可分为稳态法和非稳态法两大类,非稳态法指的是实验测量过程中试样温度随时间变化,其分析的出发点是不稳态导热
微分方程。非稳态方法以其快速准确的特点近年来发展很快,测量原理是对处于热平衡状态的试样施加某种热干扰,同时测量试样对热干扰的响应,然后根据响应曲线确定热物性参数的数值,可以分别或同时得出导热系数、体积热容,以
及组合参数如热扩散率、蓄热系数等。
非稳态平面热源法(包括脉冲平面热源法和阶跃平面热源法)是由斯洛伐克科学院物理研究所的Ludovit Kubicar提出并加以规范化的,适合导热系数在0. 05W / (m·K) ～50 W / (m·K) 范围内的材料,可以测量均质固体材料、非均质材料以及多孔材料。实际上,我国的王补宣等学者早在80年代也独立开发过类似阶跃平面热源法的测量方法, 称为常功率平面热源法 ,区别在于需测量热源处和试样内某一点的温度变化才能同时得到材料的导热系数和热扩散率,若只测量热源处的温度变化,仅能得到蓄热系数 。而按照Kubicar的方法,只需测量试样内某一点的温度变化就可同时得到材料的导热系数和热扩散率以及体积热容等热物性参数。
（2）原理介绍
物理模型: 如图1所示,给平面热源通以一定形式(阶跃或脉冲式) 的加热电流I ( t) , 同时用热电偶测量距热源为x位置处材料的温度变化T ( x, t) ,根据热源—试样测量系统的传热数学模型及其非稳态导热方程的解析解,可以确定被测材料试样的导热系数、热扩散率和体积热容等热物性参数。
数学模型：假设被测材料试样与周围环境无换热, 忽略热源本身的厚度,则上述热物性测量问题可以抽象成如图2所示的半无限大物体的一维非稳态导热问题,相应的导热方程、初始条件和边界条件分别为：
式中: T = T ( x, t) ———过余温度,表示物体真实温度与系统初始温度之差; x———空间坐标; t———时间;a———试样物体的热扩散率;λ——— 导热系数;f(t) ———边界面上所施加的热流密度,W
/m2。
对于阶跃式加热：
当加热电流为I,热源电阻为R, 热源面积为A 时, 若为方脉冲加热,则当方脉冲持续时间t0 很短时,可视为理想脉冲加热,则:
式中:
导热系数测量
导热系数测量 在某些应用场合，了解陶瓷材料的导热系数，是测量其热物理性质的关键。陶瓷耐火材料常被用作炉子的衬套，因为它们既能耐高温，又具有良好的绝热特性，可以减少生产中的能量损耗。航天飞机常使用陶瓷瓦作挡热板。陶瓷瓦能承受航天飞机回到地球大气层时产生的高温，有效防止航天器内部关键部件的损坏。在现代化的燃气涡轮电站，涡轮的叶片上的陶瓷涂层（如稳定氧化锆）能保护金属基材不受腐蚀，降低基材上的热应力。作为有效的散热器能保护集成电路板与其它电子设备不受高温损坏，陶瓷已经成为微电子工业领域关键材料。若要在和热相关的领域使用陶瓷材料，则要求精确测量它们的热物理性能。在过去的几十年里，已经发展了大量的新的测试方法与系统，然而对于一定的应用场合来说并非所有方法都能适用。要得到精确的测量值，必须基于材料的导热系数范围与样品特征，选择正确的测试方法。 基本理论与定义 热量传递的三种基本方式是：对流，辐射与传导。对流是流体与气体的主要传热方式，对固态与多孔材料传热不起重要作用。 对于半透明与透明陶瓷材料，尤其在高温情况下，必须考虑辐射传热。除了材料的光学性质外，边界状况亦能影响传热。关于辐射传热方式的详细介绍见文献一(1)。 对于陶瓷材料而言传导是最重要的传热方式。热量的传导基于材料的导热性能——其传导热量的能力(2)。厚度为x 的无限延伸平板热传导可用Fourier 方程进行描述（一维热传递）： Q = -λ·△T／△x Q 代表单位表面积在厚度(△x)上由温度梯度(△T)产生的热流量。两个因子都与导热系数（λ）相关联。在温度梯度与几何形状固定(稳态)的情况下，导热系数代表了需要多少能量才能维持该温度梯度。 在对建筑材料（如砖）与绝热材料进行表征时，经常用到k 因子。k 因子与材料的导热系数和厚度有关。 k –value = λ/ d 这一因子并不能用来鉴别材料，而是决定最终产品厚度的决定因素。 现代电子元件与陶瓷散热器上通常发生的是动态（瞬时）过程。需要更复杂的数学模型描述这些动态热传递现象，在此不做讨论。
(精品)热阻及热导率的测量方法
热阻及热导率测试方法 范围 本方法规定了导热材料热阻和热导率的测试方法。本方法适用于金属基覆铜板热 阻和导热绝缘材料热阻和热导率的测试。 术语和符号 术语 热触热阻 contact resistance 是测试中冷热两平面与试样表面相接触的界面产生热流量所需的温差。接触热阻 的符号为R I 面积热流量areic heat flow rate 指热流量除以面积。 符号 下列符号适用于本方法。 λ：热导率，W/（m﹒K）； A：试样的面积，m 2 ； H：试样的厚度，m； Q：热流量，W 或者 J/s； q：单位面积热流量，W/ m 2 ； R：热阻，（K﹒m 2 ）/W。 原理 本方法是基于测试两平行等温界面中间厚度均匀试样的理想热传导。 试样两接触界面间的温 度差施加不同温度，使得试样上下两面形成温度梯度，促使热流量全部垂直穿过试样测试表 面而没有侧面的热扩散。 使用两个标准测量块时本方法所需的测试： T1＝高温测量块的高温，K； T2＝高温测量块的低温，K； T3＝低温测量块的高温，K； T4＝低温测量块的低温，K； A＝测试试样的面积，m 2 ； H＝试样的厚度，m。 基于理想测试模型需计算以下参数： T H：高温等温面的温度，K； T C：低温等温面的温度，K； Q：两个等温面间的热流量 热阻：两等温界面间的温差除以通过它们的热流量，单位为（K﹒m 2 ）/W； 热导率：从试样热阻与厚度的关系图中计算得到，单位为W/(m.K)。
接触热阻存在于试样表面与测试面之间。 接触热阻随着试样表面特性和测试表面施加给试样 的压力的不同而显著变化。因此，对于固体材料在测量时需保持一定的压力，并宜对压力进 行测量和记录。热阻的计算包含了试样的热阻和接触热阻两部分。 试样的热导率可以通过扣除接触热阻精确计算得到。 即测试不同厚度试样的热阻，用热阻相 对于厚度作图，所得直线段斜率的倒数为该试样的热导率，在厚度为零的截取值为两个接触 界面的接触热阻。如果接触热阻相对于试样的热阻非常小时（通常小于1％），试样的热导率 可以通过试样的热阻和厚度计算得出。 通过采用导热油脂或者导热膏涂抹在坚硬的测试材料表面来减小接触热阻。 仪器 符合本测试方法的一般特点要求的仪器见图A.1和图A.2。 该套仪器增加测厚度及压力监测等 功能，加强了测试条件的要求来满足测试精度需要。 仪器测试表面粗糙度不大于0.5μm；测试表面平行度不大于5μm。 精度为1μm归零厚度测试仪（测微计、LVDT、激光探测器等）。 压力监测系统。 图A.1 使用卡路里测量块测试架 图A.2 加热器保护的测量架 热源可采用电加热器或是温控流体循环器。主热源部分必需采用有保护罩进行保护， 保护罩 与热源绝缘，与加热器保持±0.2K的温差。避免热流量通过试样时产生热量损失。无论使用 哪一种热源，通过试样的热流量可以用测量块测得。 热流量测量块由测量的温度范围内已知其热导率的高热导率材料组成。为准确测量热流量， 必须考虑热传导的温度灵敏度。推荐测量块材料的热导率大于50 W/(m.K)。 通过推算测量块温度与测试表面的线性关系（Fourier传热方程），确定测量块的热端和冷端 的表面温度。 冷却单元通常是用温度可控的循环流体冷却的金属块，其温度稳定度为±0.2 K。 试样的接触压力通过测试夹具垂直施加在试样的表面上，并保持表面的平行性和对位。
导热性能检测
导热性能测试导热系数测量方法 10.15当物体各部分之间不发生相对位移或不同的物体直接接触时，依靠物质的分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递成为导热（热传导），所以理论上讲导热可以在固体、液体和气体中发生。在气体中，导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。气体温度越高，其分子运动动能越大，不同能量水平的分子相互碰撞的结果使热量从高温处传到低温处。在导电固体中，相当多的自由电子在晶格之间像气体分子那样，通过相互碰撞传递能量。在不导电的固体中，热量的传递是通过晶格结构的振动，即原子、分子在平衡位置附近的振动来实现的。而对于液体的导热机理目前尚未获得统一的认识：一种观点认为液体的导热原因类似于气体分子的相互碰撞，只是液体分子之间的距离较小，分子间的作用力影响大于在气体分子间的作用力对碰撞过程的影响；另一种观点认为液体的导热原因类似于非导电固体，主要依靠弹性波的作用。 科标检测导热性能检测标准如下： GB/T10297-1998非金属固体材料导热系数的测定热线法 GB/T20671.10-2006非金属垫片材料分类体系及试验方法第10部分:垫片材料导热系数测定方法 GB/T22588-2008闪光法测量热扩散系数或导热系数 GB/T23800-2009有机热载体热稳定性测定法 GB/T24449-2009导热油烘缸 GB/T3139-2005纤维增强塑料导热系数试验方法 GB/T3399-1982塑料导热系数试验方法护热平板法 GB/T3651-2008金属高温导热系数测量方法 GB5598-1985氧化铍瓷导热系数测定方法 GB/T5990-2006耐火材料导热系数试验方法(热线法) GB/T7962.13-1987无色光学玻璃测试方法导热系数测试方法 GB/T8722-2008石墨材料中温导热系数测定方法 HG/T2546-1993导热油-400(联苯-联苯醚混合物) HG/T3684-2011搪玻璃双锥形回转式真空干燥机 HG/T4179-2011预硫化翻新轮胎硫化罐 JB/T3997-2011金属切削机床灰铸铁件技术条件 JC275-1980(1996)加气混凝土导热系数试验方法 JC/T675-1997玻璃导热系数试验方法 JJG255-1981三厘米波导热敏电阻座检定规程 SL237-20037-1999冻土导热系数试验(附条文说明) SY/T0524-2008导热油加热炉系统规范 YB/T4130-2005耐火材料导热系数试验方法(水流量平板法) YB/T5291-1999高炉炭块铁水渗透性、导热系数和氧化性试验方法 服务范围：老化测试、物理性能、电气性能、可靠性测试、阻燃检测等。10 科标化工以“专心、专业、专注“为宗旨，致力于实现研究和应用的对接，从而推动化工行业的发展。
金属的导热系数
金属的导热系数 金属的导热系数（单位：千卡/米?小时?度） 金属的导热系数怎么确定 导热系数术需要查表的 导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K,°C）,在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米度（W/mK,此处的K可用°C代替）。 导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。材料的含水率、温度较低时，导热系数较小。 通常把导热系数较低的材料称为保温材料，而把导热系数在瓦/米度以下的材料称为高效保温材料。 金属的热传导系数表： 银 429 铜 401 金 317 铝 237 铁 80 锡 67 铅
各种物质导热系数 material conductivity K (W/ diamond 钻石 2300 silver 银 429 cooper 铜 401 gold 金 317 aluminum 铝 237 各物质的导热系数1 物质温度导热系数物质温度导热系数亚麻布 50 落叶松木 0 木屑 50 普通松木 45 ～ 海砂 20 杨木 100 研碎软木 20 胶合板 0 压缩软木 20 纤维素 0 聚苯乙烯 100 丝 20 ～ 硫化橡胶 50 ～炉渣 50 镍铝锰合金 0 硬质胶 25 青铜 30 32～153 白桦木 30 殷钢 30 11 橡木 20 康铜 30 雪松 0 黄铜 20 70～183 柏木 20 镍铬合金 20 ～171 普通冕玻璃 20 1 石棉 0 ～石英玻璃 4 纸 12 ～燧石玻璃 32 皮棉 4. 1 重燧石玻璃 矿渣棉 0 ～精制玻璃 12 毡汽油 12 蜡凡士林 12 纸板“天然气”油 12 皮革～甘油 0 冰煤油 100 新下的雪蓖麻油 500 填实了的雪橄榄油 0 瓷已烷 0 石蜡油二氯乙烷 变压器油 90%硫酸 石油醋酸 18 石蜡硝基苯 柴油机燃油二硫化碳 沥青甲醇 玄武岩四氯化碳 拌石水泥三氯甲烷
导热系数的测量实验报告
导热系数的测量 导热系数（又称导热率）是反映材料热性能的重要物理量，导热系数大、导热性能好的材料称为良导体，导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。一般来说，金属的导热系数比非金属的要大，固体的导热系数比液体的要大，气体的导热系数最小。因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化，而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值，所以在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。 一．实验目的 1．用稳态平板法测量材料的导热系数。 2．利用稳态法测定铝合金棒的导热系数，分析用稳态法测定不良导体导热系数存在的缺点。 二．实验原理 热传导是热量传递过程中的一种方式，导热系数是描述物体导热性能的物理量。 h T T S t Q ) (21-??=??λ 单位时间通过某一截面积的热量dQ/dt 是一个无法直接测定的量，我们设法将这个量转化为较容易测量的量。为了维持一个恒定的温度梯度分布，必须不断地给高温侧铜板加热，热量通过样品传到低温侧铜板，低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。单位时间通过截面的热流量为： B B h T T R t Q )(212 -???=??πλ 当加热速率、传热速率与散热速率相等时，系统就达到一个动态平衡，称之为稳态，此时低温侧铜板的散热速率就是样品的传热速率。 这样，只要测量低温侧铜板在稳态温度 T2 下散热的速率，也就间接测量出了样品的传热速率。但是，铜板的散热速率也不易测量，还需要进一步作参量转换，我们知道，铜板的散热速率与冷却速率（温度变化率）dQ/dt=-mcdT/dt 式中的 m 为铜板的质量， C 为铜板的比热容，负号表示热量向低温方向传递。 由于质量容易直接测量，C 为常量，这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。铜板的冷却速率可以这样测量：在达到稳态后，移去样品，用加热铜板直接对下铜板加热，使其温度高于稳态温度 T2（大约高出 10℃左右），再让其在环境中自然冷却，直到温度低于 T2，测出 温度在大于T2到小于T2区间中随时间的变化关系，描绘出 T —t 曲线（见图 2），曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。 应该注意的是，这样得出的 t T ??是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率， 其散热面积为 2πRp2+2πRphp （其中 Rp 和 hp 分别是下铜板的半径和厚度），然而， 设样品截面半径为R ，在实验中稳态传热时，铜板的上表面（面积为 πRp2）是被 样品全部（R=Rp ）或部分（R
