一种高导热材料导热系数测试仪的研制

　　0　引　言

　　热物性数据不仅是衡量材料及工质能否适应具体热过程工作需要的依据,而且是对特定热过程进行基础研究、分析计算和工程设计的关键参数,是技术创新、开发和科学研究的基础。世界各国对热物性学的研究都十分重视,我国在热物性参数测试这方面的工作起步较晚,尚处于发展阶段,与国外相比尚有一定差距。测试高导热系数材料热物性最为广泛使用的是激光闪射法。但由于此类仪器受价格昂贵等因素的制约,限制了其广泛使用。因此,本研究在对周期热流法的测试理论进行深入分析的基础上,将开发一种高导热系数材料热物性测试新方法,并设计出一套基于该方法的测试装置。

　　1　测试原理

　　根据热流方向的不同,周期热流法可分为径向周期热流法和纵向周期热流法两种,本研究采用的是后者。纵向周期热流法的原理是在圆柱体试样的一端加一个温度呈周期性(按正弦规律)变化的热源,则圆柱体试样上某点的温度也将以与热源相同的周期变化,只是温度变化的幅值有所下降。而且当温度波沿着试样以一定的速度传播时,试样上某些点之间的温度波存在着相位差。

　　通过测量温度波振幅的衰减和温度波之间的相位差,就可以得到导温系数。如果知道材料的比热和密度数据,便可由式(1)计算出导热系数[1-2]。

　　温度-时间关系图。

　　图1中,2π/ω表示两个测试点的正弦温度波的周期;A1、A2分别表示两个正弦温度波的振幅;表示两个正弦温度波的相位滞后。

2　实验研究

　　测试装置主要由信号源单元、温度数据采集单元及炉体单元组成。信号发生单元选用输出电压和频率连续可调的超低频函数信号发生器。实验中温度数据采集主要通过热电偶和DUT5000以太网控制模块来完成。

　　通过数值仿真对测试装置的主体部分———炉体单元进行优化设计。综合考虑测试结果误差,试样和炉体的加工制作成本等因素,最终确定尺寸:

　　1)试样:待测试样一律加工成长20 cm,直径为2.5 cm的圆柱体,测温点距试样加热面的距离分别为0.5和2.5 cm;

　　2)保温材料:选用高密度硅酸铝板,根据仿真结果和现有保温材料的尺寸加工成厚度为6.5cm的圆筒包裹在试样外侧

　　3)炉体:长约28 cm,其中加热器底部的保温材料厚8 cm,加热器至炉顶部20 cm,在距炉底8.5和10.5 cm的位置打两个测温孔。

　　图2示意了加热炉体的结构,图3为测试系统实物图。应用上述装置对铝试样在热流密度为0.1MW/m2,加热频率为0.01 Hz下进行实验,两个测温点处温度随时间变化情况如图4所示。