[發明專利]一種基于飽和蒸汽加熱的高精度平板法熱導率測定裝置

有效

• 申請號: 201710164933.8
• 申請日: 2017-03-20
• 公開（公告）號: CN106841287B
• 公開（公告）日: 2019-06-11
• 發明（設計）人: 徐順生;劉樂樂;劉小宇;閆文濱;趙鵬飛;龍緒功;羅潔;劉家作;傅國要;黃日升;王軍梅;徐泉華;劉炎桃;于遠友;劉清元
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N25/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于飽和蒸汽加熱的高精度平板法熱導率測定裝置，主要包括主蒸汽加熱裝置、輔蒸汽加熱裝置、冷卻裝置、供水系統、信號采集處理及控制系統、構架及夾緊裝置。整體加熱單元由主、輔蒸汽加熱裝置嵌套構成，被測試件核心區和邊緣區分別與主、輔蒸汽加熱裝置頂部器壁緊密接觸，主蒸汽加熱裝置的其它各壁面通過輔蒸汽加熱裝置提供的與主蒸汽加熱裝置中溫度相等的飽和蒸汽進行非常嚴格的絕熱，被測試件側面采用空心夾層結構進行高效絕熱。被測試件熱面嚴格的均熱特性，被測試件核心區熱面與邊緣區熱面嚴格的等溫特性及側面高效絕熱結構設計，賦予被測試件核心區非常嚴格的一維傳熱特性，大幅提高穩態法測量熱導率的精確性。

技術領域

本發明涉及材料熱導率測量領域，具體涉及一種基于飽和蒸汽加熱的高精度平板法熱導率測定裝置。

背景技術

熱導率是表征材料導熱能力的熱物性量，指的是單位溫度梯度條件下，材料在單位時間內單位面積上的導熱量。其值不僅隨材料種類變化，而且還隨材料的溫度、壓力、密度、材料微觀結構變化而改變。熱導率隨物質相態變化很大，固態時最大，氣態時最小，液態時介于二者之間。

熱導率測定方法分為穩態法和動態法。穩態法是經典測定方法，其原理是基于傅立葉穩態導熱模型，由通過被測試件熱流、被測試件兩測溫差及被測試件厚度來計算熱導率。穩態法測試原理簡單清晰，精確度高，但測量平衡時間長，對測試條件要求較高。穩態法分熱流計法和護熱平板法。熱流計法是國際上較流行的方法，測量精度高(±1％)，重復性好(0.2％)，再現性好(0.5％)，適合于精密測量；缺點是測溫范圍和熱導率測定范圍受限，僅用于低熱導率材料測量。護熱平板法是準確度最高的測定方法，可用于基準樣品標定和其它儀器校準；缺點是測量時間長，儀器價格貴，不能用于濕材料、薄膜和涂層熱導率測量。

動態法是近幾十年發展起來的方法，用于高熱導率和高溫熱導率測量，其原理是通過向樣品施加一固定功率熱源，通過記錄樣品溫度隨時間的變化，由溫度隨時間變化關系求出熱導率。動態法主要分熱線法、激光閃射法和瞬變平面熱源法。熱線法應用較多，是通過在樣品中插入一根恒定功率熱線，測定熱線本身或平行于熱線一定距離的溫度隨時間變化關系，由材料熱導率與溫度變化率固有關系來確定材料熱導率；熱線法具有測量速度快，熱導率測試范圍較寬，測試設備價格低的優點，缺點是測試誤差大(5～10％)，不適于精度測量。激光閃射法是最先進的測試方法，是基于樣品吸收照射的激光源能量溫度升高，通過測量表面溫升隨時間變化關系來獲得被測材料熱擴散系數，再基于熱擴散系數與熱導率、密度、比熱容的關系，計算出材料熱導率；優點是測量速度快，測量范圍寬，測試溫度高；因是間接測量，還需測量材料的密度和比熱(熱態測量時，還需測量膨脹系數)，才能計算出熱導率；整個測試系統復雜、昂貴，被測試件預處理要求高，只適合于同性、均質、不透光材料測量。瞬變平面熱源法是基于施加在被測試件上的階躍加熱合金圓盤形熱源產生的瞬態溫度響應，通過測量出被測試件某點過余溫度—時間曲線，根據相應的數學模型和改進的高斯牛頓參數估計法計算出被測試件熱導率、熱擴散率以及體積熱容。瞬變平面熱源法測試速度快，測試范圍廣，可用于高溫測量，然而其測量精度較低。

由于穩態法的優點，現已廣泛用于耐火、保溫材料熱導率測量，然而現有的穩態法測量結果不能滿足較高精度測定需要。穩態法精度主要由被測試件熱量的計量精度、熱面與冷面溫度的均勻性、側面的絕熱性確定。現有的穩態法專利技術，如CN201510933695.3等，是通過在被測試件側面施加等溫面的絕熱方法來解決側面絕熱問題，然而在實際實施時并未形成嚴格的等溫面，側面絕熱問題并未得到很好的解決；同時，現有專利技術也未能嚴格的解決被測試件熱面和冷面的均熱性問題，加之薄膜熱電偶測量試樣熱面、冷面溫度時，因受接觸熱阻影響，測溫可靠性和準確性受到一定的影響。受以上幾個因素的復合影響，現有的穩態法熱導率測量技術，不能滿足熱導熱率的高精度測量需要。設法提高試樣冷、熱面溫度均勻性、試件側面的絕熱性，并提高試件熱面、冷面測溫的可靠性，是進一步提高穩態法測量精度必須解決的問題。

發明內容