对使用DRP—4型导热系数测定仪测量材料导热系数的探讨

对使用ＤＲＰ—４型导热系数测定仪测量材料导热

系数的探讨

一、概论

导热系数是指传递热量的物质厚度为lm、面积为1m²商标的合理使用制度，两壁面的温差为1℃时，每小时(h)通过的传热量，单位是W／(m·K)。导热传热热流密度的大小，与物质的导热系数、热流量流经物质的厚度和物质高温侧与低温侧间的温度差有关。导热系数高的物质有优良的导热性能。在热流密度和厚度相同时，物质高温侧壁面与低温侧壁面间的温度差，随导热系数增大而减小。因此对绝热材料来讲，则要求导热系数越低越好。一般常把导热系数小于0.8×103 W/(m·k)的材料称为绝热材料，如石棉、珍珠岩等。

测定绝热材料导热系数的方法有稳态法和非稳态法两大类。我国标准GB/T*****—1988《绝热材料稳态热电阻及有关特性的测定防护热板法》是等效采用国际标准8302《绝热——测定稳态电阻和有关特性一防护热板装置》。

二、测试原理

DRP—4型导热系数测定仪是按照GB/T*****—1988标准设计的。其测量原理是建立在傅立叶定律的基础上。假设在稳态条件下，防护热板装置的中心计量区域内，在具有平行表面的均匀板状试件中，建立类似于两个平行均温平板为界的无限大平板中存在的一维恒定热流(如图1)。

为保证中心计量单元建立一维热流和准确测量热流密度，加热单元应分为在中心的计量单元和由隔缝分开的环绕计量单元的防护单元。并且需有足够的边缘绝热或(和)外防护套，特别是在远高于或低于室温下运行的装置，必须设置外防护套。

通过测定稳定状态下流过计量单元的一维恒定热流量Q、计量单元的面积A、试件冷、热表面的温度差△T，可计算出试件的热阻R[R=(△T·A)/Q或导热率Cλ(Cλ=1/R)。如满足要求，导热系数λ或热阻系数r可用下式计算：

λ=Q·d/(△T·A)

r=1/λ=△T·A/(Q·d)

式中：d是试件平均厚度，m。

三、测试装置简述

DRP—4型导热系数测定仪采用稳态测量双平板法，利用稳压电源加热主加热器和自动跟踪护加热器，温度及功率测量采用高精度测量装置，测量结果稳定可靠，最大误差均小于5％。该设备由两个仪器柜组成。一是炉体部分，其双向平板是经过精加工反复处理的电加热板，电加热器的厚度小于1mm，整个板部分温度均匀一致，两块规格尺寸相同的试件分另放置于炉体内主、护加热器的左右两边。另一机柜是控制加热和测量系统，包括温度测量、加热功率测量、护加热板温度跟踪自动控制等(如图2)。

当主加热器的热量不能沿护加热环板方向传人和传出，此时主加热器的热量只能沿试材方向导出。当随时间不断延长，热面的温度t₁和冷面的温度b不再随时间发生变化时，在这种情况下主加热器的热量只能沿试材方向导出，这种情况为稳定导热。

为实现上述要求，DRP—4型导热系数测定仪的仪器主加热板是由一台晶体管稳压电源加热，护热板是由温度跟踪器控制加热，由装在主加热板和护加热板上的温差热电堆给出偏差值。经过温度自动跟踪器，给出一个触发信号，使得可控硅导通角正比于温差信号的大小，使护加热板的温度不断跟踪主加热板的温度。两者的升温过程如图3所示。经过一段时间，主、护加热器的不再随时间发生变化时，这就是上面所述的稳定导热。一般如图3中虚线右侧，主加热器温度随时间的变化，对于低导热系数(λ＜0.1)，热电势变化的绝对值＜2μV/h。对于高导热系数(λ＞0.1)，热电势变化的绝对值＜4μLV/h。满足上述

条件者，可以确定根据傅立叶定律得出：

q=-λdt/dx

两边积分得：

q=λ(t₁-t_２)/σ

由于主加热器的热量是按主加热器平板面大、小向试材方向导出的，所以：

Q₁=λ·F(t₁-t₂)/σ

式中：Q₁是主加热器右侧导出的热量，W；F是主加器右侧的面积，m²；λ是试材的导热系数，W/(m·K)；σ₁是右侧试件的厚度，m。

若主加热器左侧与右侧试材相同时，则左侧导出的热量：

Q₂=λF(t"₁-

t"₂)/σ₂

式中：

Q₂是主加热器右侧导出的热量，W；F是主加器右侧的面积，m²；λ是试材的导热系数，W/(m·K)；σ₂是右侧试件的厚度，m。

实际上主加热器发出的热量Q=Q₁+Q₂=IU(w)。若试材的厚度、温度相等σ=σ₁=σ₂，

t₁=t"t₂=t"

则有：

λ=IUσ/2(t₁-t₂)F

(1)

当σ₁与σ₂，t₁与t" t₂与t均不相等，而且相差不大时：

λ=IU/[2(t₁-t₂)/σ+(t"-

t")/σ₂]F(2)

为精确测量主加热器的电发热量Q，用数字电压表测量与主加热

器串联的0.01Q标准电阻上的电位差，算得电流。当稳定导热已经建立后，I、△t代入公式便可求出导热系数。

四、技术性能

1．导热系数测定范围：0.02～1W/(m·K)；

2．相对误差：≤4％；

3．重复性误差：≤1％；

4．温度范围：冷板下限温度高于环境温度5℃，上限90℃，热板下限温度高于冷板温度20℃．上限150℃；

5．电源电压：单向AC 50HZ(二组220V)：

6．环境条件：温度0℃～40℃，相对湿度＜90％：

7．试件规格：长×宽300mm×300mm，厚度

10～40mm；

8．外形尺寸。炉体部件：长960mm，宽570mm高1250mm；

控制柜：长480mm，宽443mm，高1210mm。

五、存在问题

1．对于材料热性质的试件的最小厚度未做明确的界定。试件中包含的传热过程中，只有传导产生的热流与试件的厚度成比例，其他传热过程关系较复杂。试件厚度愈薄、材料的密度愈小，热阻愈与传导以外的过程有关，因而测定的结果与试件的厚度有关。为确保测试结果达到GB/T*****—1988标准中对测试装置的准确度要求，使之符合导热系数和热阻系数定义，我们可以认为所有材料在理论上都存在厚度的低限。在给定的条件下，当测试的试样厚度大于该厚度限值时，根据测试方法得出的导热系数和热阻系数是符合要求的。反之，当测试的试样厚度小于该厚度限值时，根据测试方法得出的导热系数和热阻系数是不符合要求的。因此，在对绝热材料稳态热阻及有关特性进行测定的过程中，必须首先确定该绝热材料可确定材料热性质的试件的最小厚度。

而目前的导热系数测定仪的说明书对于不同材料的可确定材料热性质的试件的最小厚度均未做出明确的规定，只是笼统地对试件的