国产石墨薄膜低温导热系数测量

　　1 引 言

　　材料的导热系数是材料的基本热物理性能参数之一。随着低温技术的发展,需要各种材料的低温导热系数作为工程设计的参考。很多基本材料的导热系数可以从工程应用手册中查出,例如纯铜、纯铝等常用材料。然而,对于一些合金类材料以及类似石墨之类,导热系数与其制作工艺相关的材料,其导热系数并不是定值。一个结构简单、操作方便的低温导热系数测量装置,对于进行低温研究的工作者来说是很有用处的。

　　由于空间应用的特殊要求,对热传导介质不仅要求其有高效的热传导性能,而且尽可能具备较低的质量,石墨材料就是符合要求的理想材料之一。石墨被认为是热的良导体,有较高的导热系数。石墨薄膜是石墨材料的一种,根据相关文献介绍,石墨薄膜导热系数高达700W /(m#K)[1],是金属材料的理想替代体。然而,由于制造工艺、原材料的差异,不同成品间导热系数也不尽相同,不能从固定的数据库中查出其相应的导热系数。基于研究需要,设计了一种简单的导热系数测量装置,对所选用的石墨薄膜材料在低温下不同温度点的导热系数进行了测量,得到了相关的实验数据,为以后的应用提供了依据。

　　2 测试原理

　　实验采用的是稳态测量法。根据假设,稳定高真空状态下(真空度达到10-4Pa),忽略辐射和对流影响,当轴向尺寸远远大于径向时,根据傅立叶定律,一维稳态热传导方程可以表示为:

　　式中:A代表一维方向的横截面积,Q代表一维方向传热量,L代表一维方向的长度,$T代表被测材料两端温差(正值),k是所要得出的材料导热系数(随温度变化而变化)。在应用一维稳态热传导原理时,是以如下3个假设为前提的:

　　(1)被测材料处于热平衡状态;

　　(2)仅仅在轴向存在热传导,忽略了辐射和对流(对于高真空系统而言,对流可忽略不计);

　　(3)加热器热量完全通过材料传输。

　　3 实验装置原理图

　　根据测试原理,鉴于所要测试材料的物理性能,以及一维热传导假设,采用带状样品,薄膜多层叠加的方法。实验装置示意图如图1。

　　3.1 温度控制方法

　　1点和4点2处分别安装2个加热器, 1处的加热器用以控制样品测试的温度范围, 4处加热器用以提供造成温差的恒定热流。当4处加热功率恒定,改变1处加热器功率,可以以改变样品测试温度。

　　由于该实验装置采用的是多层绝热的方式,可以将其表面吸收率降至大约0.007。所以,漏热虽然小,但也不可能完全避免。当只开1处加热器而关闭4处加热器时,在低温下,由于外部热流的导入,导致从4到1产生一个由高到底的温度梯度。因此,在实际测量时,要考虑由于漏热部分引起的温差。理论上分析,取靠近4处的一段样品作为控制单元,列出热平衡方程:Q1+Q2=Q3见图2。