[發明專利]非均質材料等效導熱系數測試方法及系統

有效

• 申請號: 202010412999.6
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111443106B
• 公開（公告）日: 2023-02-21
• 發明（設計）人: 杜銀飛;代明欣;陳嘉祺
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N25/18
• 代理公司: 長沙永星專利商標事務所(普通合伙) 43001
• 代理人: 鄧淑紅

本發明公開了一種非均質材料等效導熱系數測試方法及系統，它先實測待測樣品表面不同時間節點的溫度，繪制溫升曲線。然后在有限元軟件中建立一維傳熱模型，施加溫度場，繪制不同導熱系數下的試件上表面的溫升曲線。其中與實測溫度所得溫升曲線最為貼近的上、下兩線為等效導熱系數的初步范圍。并在該范圍內重復選取不同導熱系數模擬比較直至當試驗與有限元模型所得溫度變化曲線相近或重合時，有限元模型中所用的導熱系數則為待測樣品的等效導熱系數。該方法既不破壞待測樣品，又能夠簡化導熱系數測量過程，降低試驗條件要求，提高測量結果的準確性，降低測試成本。

技術領域

本發明屬于導熱系數測試技術領域，特別是涉及一種非均質材料等效導熱系數測試方法及系統。

背景技術

熱量傳遞是自然界普遍存在的一種現象，尤其在工業領域有著大量的傳熱問題亟待研究。導熱系數是材料的重要熱物性質，它直接反應了材料的熱量傳遞能力。目前導熱系數的測試方法大體上可以分成兩大類，即穩態法和非穩態法。在穩態法中，待測樣品放在一個恒定的溫度場中，當樣品整體溫度達到平衡后，根據測量通過樣品單位面積上的熱流量，樣品在熱量傳導方向上的溫度梯度，以及樣品的外形尺寸，可以直接測定導熱系數，但是該方法對試件尺寸要求很高，測試時間較長，測量范圍較小主要用于低導熱系數材料的測量。在非穩態法中，對待測樣品的內部或者邊界施加溫度擾動，然后得到樣品測試區域溫度隨著時間的變化情況，進而得到測樣品的熱擴散系數，最后求得材料的導熱系數，但是該方法測量區域較小，對于導熱系數分布不均勻的非均質材料而言，測試結果存在較大差異性。

非均質材料是由固體骨架結構和孔隙結構共同組成，固體骨架結構和孔隙結構的分布均存在一定的變異性，尤其是孔隙結構會嚴重影響熱量的傳遞。采用常規的穩態和非穩態測量方法，不能有效考慮材料空間分布的影響，造成實驗測試結果存在很大的偏差。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足之處，提供一種既不破壞待測樣品，又能降低試驗條件要求的非均質材料等效導熱系數測試方法及系統。

本發明提供的這種非均質材料等效導熱系數測試方法，該方法包括如下步驟：

步驟一、取樣，測樣品的密度和比熱容，并將待測樣品置于恒溫環境保溫4-6h；

步驟二、自待測樣品底部加熱，測量樣品上表面溫度，繪制時間-溫度曲線；

步驟三、建立待測樣品的有限元傳熱模型；

步驟四、選取導熱系數，在模型底端施加與步驟二中等效的恒溫邊界，記錄該導熱系數下有限元傳熱模型上表面的時間-溫度曲線；

步驟五、將有限元模型所測時間-溫度曲線與實測時間-溫度曲線對比；

步驟六、如果有限元模型所測時間-溫度曲線高于實測時間-溫度曲線，則在該導熱系數的基礎上減小0.N后重復步驟四、步驟五，

如果有限元模型所測時間-溫度曲線低于實測時間-溫度曲線，則在該導熱系數的基礎上增加0.N后重復步驟四、步驟五；

步驟七、重復步驟六，直至相鄰兩導熱系數X.Y以及X.Y±0.N，分別位于實測時間-溫度曲線上、下兩側，即可判定實際導熱系數位于此兩導熱系數之間；

步驟八、如無需精確計算則判定兩導熱系數的共有位X為實際導熱系數；

步驟九、如需精確計算，則選取導熱系數的遞變值為0.0N，在X.Y以及X.Y±0.N之間重復步驟六—步驟八，可確定導熱系數X.Y；

步驟十、重復步驟九即可確定導熱系數X.YZ、X.YZZ、…、X.YZ…Z；如對比過程中選取導熱系數對應的時間-溫度曲線與試驗測得時間-溫度曲線重合，則該導熱系數為對應的等效導熱系數。

所述待測樣品為具有平整上下底面的樣品，無任何形狀要求；待測樣品周圍被絕熱層包裹。