[發明專利]金屬的高溫熱導率測量方法

有效

• 申請號: 201410088926.0
• 申請日: 2014-03-11
• 公開（公告）號: CN103940845B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發明（設計）人: 宋芳芳;何小琦;恩云飛;黃彩然;許沙
• 申請（專利權）人: 工業和信息化部電子第五研究所
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司44224
• 代理人: 黃曉慶,王茹

技術領域

本發明涉及測量技術領域，特別是涉及一種金屬的高溫熱導率測量方法。

背景技術

傳統技術中，往往通過試驗測量來評價產品的熱性能、振動特性等可靠性研究等。隨著計算機技術的發展，模擬仿真技術大量應用于產品的熱態下的可靠性研究，可以大大降低成本，提高效率。因此金屬材料的物理性能在高溫狀態下變化的研究就顯得非常重要，獲得物理特性參數在高溫時具體的數據是準確評價產品熱、機械可靠性研究的基礎。其中，熱導率（又稱熱導系數）是表征材料導熱性能的一個重要參數，是決定器件內部溫度分布的重要參數，是熱模擬仿真的必要參數之一。工程材料的種類繁多，如何快速準確的獲得導熱系數對數值模擬仿真的精確快速實現意義重大。同時可以根據熱導率利用有限元方法準確獲得產品內部溫度分布是進一步分析結構機械可靠性的基礎。因此，對金屬熱導率的測量顯得越來越重要。特別是針對一些特殊用途的材料，如真空電子器件用的金屬材料一般是難熔金屬，其仿真設計研究需要用到1000℃以上的熱導率參數，所以對難熔金屬中熱導率的測量也越來越受到重視。其中，難熔金屬一般指熔點高于1650℃并有一定儲量的金屬（鎢、鉭、鉬、鈮、鉿、鉻、釩、鋯和鈦），也有將熔點高于鋯熔點（1852℃）的金屬稱為難熔金屬。

比如，電真空器件中用作燈絲材料的鎢是常用難熔材料中熔點最高，是一種很硬、很穩定的元素。鎢在900℃以下的空氣中氧化甚微，但在高溫下，在含有氧氣或其它氧化氣體的大氣中，鎢會迅速氧化并形成WO₃。用作陰極筒的鉬是一種硬度高、無磁性、化學性能穩定的難熔金屬。在高溫時表現出氧化性，當溫度高于600℃將很快形成Mo₂O₃而升華。用作陰極支持筒的鉭是一種重量輕、強度高的難熔金屬。鉭對氧氣很敏感，在空氣中加熱到400℃時將生成Ta₂O₅而顯著氧化。因此電真空器件的材料一般需要工作在真空環境中，而其高溫性能的測試也需要真空或其它惰性氣體保護。在電真空器件中，適當的熱導率保證了某些零件，如陰極或熱絲工作溫度的穩定。此外，熱導率還決定了器件不同零件上熱量傳導的速度。

目前已經發展了大量的導熱測試方法。然而，沒有任何一種方法能夠適合于所有的應用領域，反之對于特定的應用場合，并非所有方法都能適用。導熱系數的測量方法目前分為穩態測試和動態測試兩種。穩態測試方法，是指當試樣上的溫度分布達到穩定后，即試樣內的溫度分布時不隨施加變化的穩定溫度場，通過測定流過試樣的熱量和溫度梯度等參數來確定試樣的導熱系數。主要有比較法、熱流法等，它們原理比較簡單，計算方便，但測試時間不長、對實驗裝置要求高，且被測量的材料有一定的局限性。動態測試主要有線熱源法、熱探針法、激光閃射法等。

比如，傳統技術中常用的激光閃射法，是直接測量材料的熱擴散性能，在已知樣品比熱與密度的情況下，便可以得到樣品的導熱系數（熱導率）。激光閃光法測量材料導熱系數的原理是根據導熱系數λ與熱擴散系數α、比熱容cp和體積密度ρ三者之間的關系λ=αρcp,首先測出試樣的體積密度ρ,然后分別或者同時測量出材料的熱擴散系數α和比熱容cp,則根據λ=αρcp即可計算出材料的導熱系數。

然而，金屬在高溫下容易氧化，特別是難熔金屬。比如真空電子器件，由于在高溫下容易氧化，所以必須工作在真空環境中。而傳統技術中的測量設備沒有真空保護措施，無法解決材料高溫下表面氧化的問題，測量出的熱導率誤差較大，所以傳統技術不能完全應用于金屬材料的高溫導熱系數的測量。

發明內容

基于此，有必要針對由于金屬在高溫下容易氧化，測量熱導率準確率不高的問題，提供一種金屬的高溫熱導率測量方法。

一種金屬的高溫熱導率測量方法，包括步驟：

獲取金屬樣品在不同溫度下的熱擴散系數，其中，所述溫度為所述金屬樣品氧化溫度之外的溫度；

根據所述熱擴散系數、所述金屬樣品的密度和比熱容獲得對應溫度下的熱導率；

根據各組溫度、熱導率數據，并采用最小二乘法獲取多組溫度與熱導率的初始化擬合回歸方程；

將各組初始化擬合回歸方程根據所述溫度、熱導率進行擬合優度檢驗，建立溫度與熱導率的擬合回歸模型；

根據所述擬合回歸模型確定不同高溫下的熱導率。