YBF-3导热系数测定仪讲义

YBF-3型导热系数测试仪
(实验讲义)
YBF-3型导热系数测试仪使用说明
一、概述
导热系数(热导率)是反映材料导热性能的物理量，它不仅是评价材料的重要依据，而且是应用材料时的一个设计参数，在加热器、散热器、传热管道设计、房屋设计等工程实践中都要涉及这个参数。

因为材料的热导率不仅随温度、压力变化，而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响热导率的数值，所以在科学实验和工程技术中对材料的热导率常用实验的方法测定。

测量热导率的方法大体上可分为稳态法和动态法两类。

本测试仪采用稳态法测量不同材料的导热系数，其设计思路清晰、简捷、实验方法具有典型性和实用性。

测量物质的导热系数是热学实验中的一个重要内容。

本测试仪由加热器、数字电压表、计时秒表组成（采用一体化设计）
二、主要技术指标
1、电源：AC (220±10%)V ，(50/60)Hz
2、数字电压表：3位半显示，量程0~20mV，测量精度：0.1%+2个字
3、数字计时秒表：计时范围：0～9999.9s；最小分辨率0.1S；精度：10-5
4、测量温度范围：室温~100℃
5、加热电压：高端：AC36V 低端：AC25V
6、散热铜板：半径：65mm 厚度：7mm 质量：815g
（以上的参数已在每一块铜板上标注）
7、测试介质：硬铝、硅橡胶、胶木板、空气等
8、连续工作时间：>8小时
三、仪器的面板图
上面板图
下面板图
四、加热温度的设定：
①．按一下温控器面板上设定键（S），此时设定值（SV）显示屏一位数码管开始闪烁。

②. 根据实验所需温度的大小，再按设定键（S）左右移动到所需设定的位置，然后通过加数键（▲）、减数键（▼）来设定好所需的加热温度。

③．设定好加热温度后，等待8秒钟后返回至正常显示状态。

五、仪器的连接
连线图
从铜板上引出的热电偶其冷端接至冰点补偿器的信号输入端，经冰点补偿后由冰点补偿器的信号输出端接到导热系数测定仪的信号输入端。

六、仪器维护与保养
1、使用前将加热盘与散热盘面擦干净。

样品两端面擦净，可涂上少量硅油。

以保证接触良好。

注意，样品不能连续做试验，特别是硅橡胶，必须降至室温半小时以上才能下一次试验。

2、在实验过程中，如若移开电热板，就先关闭电源。

移开热圆筒时，手应拿住固定轴转动，以免烫伤手。

3、数字电压表数字出现不稳定时先查热电偶及各个环节的接触是否良好。

4、仪器使用时,应避免周围有强烈磁场源的地方。

5、实验结束后，切断电源，保管好测量样品。

不要使样品两端划伤，以至影响实验的精度。

6、仪器长时间不使用时，请套上塑料袋，防止潮湿空气长期与仪器接触。

房间内空气湿度应小于80%。

7、仪器在搬运及放置时，应避免强烈振动和受到撞击。

8、长期放置不用后再次使用时，请先加电预热30min后使用。

导热系数的测量
导热系数(热导率)是反映材料热性能的物理量，导热是热交换三种（导热、对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题之一，要认识导热的本质和特征，需了解粒子物理而目前对导热机理的理解大多数来自固体物理的实验。

材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。

因此，材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系。

在科学实验和工程设计中所用材料的导热系数都需要用实验的方法测定。

（粗略的估计，可从热学参数手册或教科书的数据和图表中查寻）
1882年法国科学家J •傅里叶奠定了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律基础之上，从测量方法来说，可分为两大类：稳态法和动态法，本实验采用的是稳态平板法测量材料的导热系数。

【实验目的】
1、了解热传导现象的物理过程
2、学习用稳态平板法测量材料的导热系数 3．学习用作图法求冷却速率
4、掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法 【实验仪器】
1、YBF-3导热系数测试仪 一台
2、冰点补偿装置 一台
3、测试样品（硬铝、硅橡胶、胶木板） 一组
4、塞尺 一把
【实验原理】
为了测定材料的导热系数，首先从热导率的定义和它的物理意义入手。

热传导定律指出：如果热量是沿着Z 方向传导，那么在Z 轴上任一位置Z 0 处取一个垂直截面积d S
（如图1）以 表示在Z 处的温度梯度，以表示在该处的传热速率（单位
时间内通过截面积d S 的热量），那么传导定律可表示成：
(S1-1)
式中的负号表示热量从高温区向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相反）。

式中比例系数λ即为导热系数,可见热导率的物理意义：在温度梯度为一个单位的情况下，单位时间内垂直通过单位面积截面的热量。

利用（S1-1）式测量材料的导热系数λ，需解决的关键问
题两个：一个是在材料内造成一个温度梯度 ，并确定其数
值；另一个是测量材料内由高温区向低温区的传热速率 。

1、关于温度梯度
为了在样品内造成一个温度的梯度分布，可以把样品加工成平板状，并把它夹在两
dt ds dz
dT
dQ Z ⋅-=0)(λdz dT dt
dQ
dz dT
dt dQ dz
dT
（图1）
块良导体——铜板之间（图2）使两块铜板分别保持在恒定温度T 1和T 2，就可能在垂直
于样品表面的方向上形成温度的梯度分布。

样品厚度可做成h ≤D （样品直径）。

这样，由于样品侧面
积比平板面积小得多，由侧面散去的热量可以忽略
不计，可以认为热量是沿垂直于样品平面的方向上传导，即只在此方向上有温度梯度。

由于铜是热的良导体，在达到平衡时，可以认为同一铜板各处的
温度相同，样品内同一平行平面上各处的温度也相
同。

这样只要测出样品的厚度h 和两块铜板的温度
T 1、T 2 ，就可以确定样品内的温度梯度度h
T T 21
-。

当然这需要铜板与样品表面的紧密接触，无缝隙，否则中间的空气层将产生热阻，使得温度梯度测量不准确。

为了保证样品中温度场的分布具有良好的对称性，把样品及两块铜板都加工成等大的圆形。

2、关于传热速率
单位时间内通过一截面积的热量 是一个无法直接测定的量，我们设法将这个量
转化为较为容易测量的量，为了维持一个恒定的温度梯度分布，必须不断地给高温侧铜板加热，热量通过样品传到低温侧铜块，低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。

当加热速率、传热速率与散热速率相等时，系统就达到一个动态平衡状态，称之为稳态。

此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。

这样，只要测量低温侧铜板在稳态温度T 2 下散热的速率，也就间接测量出了样品内的传热速率。

但是，铜板的散热速率也 不易测量，还需要进一步作参量转换，我们已经知道，铜板的散热速率与共冷却速率
（温度变化率 ）有关，其表达式为：
（S1-2） 式中m 为铜板的质量，C 为铜板的比热容，负号表示热量向低温方向传递。

因为质量容易直接测量，c 为常量，这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。

测量铜板的冷却速率可以这样测量：在达到稳态后，移去样品，用加热铜板直接对下金属铜板加热，使其的温度高于稳定温度T 2 （大约高出10℃左右）再让其在环境中自然冷却，直到温度低于T 2 ，测出温度在大于T 2到小于T 2区间中随时间的变化关系，描绘出T —t 曲线，曲线在T 2处的斜率就是铜板在稳态温度时T 2下的冷却速率。

应该注意的是，这样得出的 是在铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散
热面积为2πR P 2
+2πR P h P (其中R P 和h P 分别是下铜板的半径和厚度)然而在实验中稳态传热时，铜板的上表面（面积为πR P 2 ）是样品覆盖的，由于物体的散热速率与它们的面积成正比，所以稳态时，铜板散热速率的表达式应修正为： (S1-3)
根据前面的分析，这个量就是样品的传热速率。

将上式代入热传导定律表达式，并考虑到ds=πR 2 可以得到导热系数：
dt
dQ
dt
dQ
dt
dT
dt
dT
P
P p P
P p h R R h R R dt dT mc dt dQ ππππ22222
++•-=T dt dT mc T dt dQ 2
2-=图（2）
（S1-4） 式中的R 为样品的半径、h 为样品的高度、m 为下铜板的质量、c 为铜块的比热容、R P 和h P 分别是下铜板的半径和厚度。

右式中的各项均为常量或直接易测量。

【实验步骤】
1、用自定量具测量样品、下铜板的几何尺寸和质量等必要的物理量，多次测量、然后取平均值。

其中铜板的比热容C=0.385kJ/(K ·kg)
2、加热温度的设定：
①．按一下温控器面板上设定键（S ），此时设定值（SV ）后一位数码管开始闪烁。

②. 根据实验所需温度的大小，再按设定键（S ）左右移动到所需设定的位置，然后通过加数键（▲）、减数键（▼）来设定好所需的加热温度。

③．设定好加热温度后，等待8秒钟后返回至正常显示状态。

3、圆筒发热盘侧面和散热盘P 侧面，都有供安插热电偶的小孔，安放时此二小孔都应与冰点补偿器在同一侧，以免线路错乱。

热电偶插入小孔时，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，保证接触良好，热电偶冷端接到冰点补偿器信号输入端。

根据稳态法，必须得到稳定的温度分布，这就需要较长的时间等待。

手动控温测量导热系数时，控制方式开关打到“手动”。

将手动选择开关打到“高”档，根据目标温度的高低，加热约20分钟后再打至“低”档。

然后，每隔5分钟读一下温度示值，如在一段时间内样品上、下表面温度T 1、T 2示值都不变，即可认为已达到稳定状态。

自动PID 控温测量时，控制方式开关打到“自动”,手动选择开关打到中间一档，PID 控温表将会使发热盘的温度自动达到设定值。

每隔5分钟读一下温度示值，如在一段时间内样品上、下表面温度T 1、T 2示值都不变，即可认为已达到稳定状态。

4、记录稳态时T 1、T 2值后，移去样品，继续对下铜板加热，当下铜盘温度比T 2高出10℃左右时，移去圆筒，让下铜盘所有表面均暴露于空气中，使下铜板自然冷却。

每隔30秒读一次下铜盘的温度示值并记录，直至温度下降到T 2 以下一定值。

作铜板的T —t 冷却速率曲线。

（选取邻近的T 2测量数据来求出冷却速率）。

5、根据（S1-4）计算样品的导热系数λ。

6、本实验选用铜-康铜热电偶测温度，温差100℃时，其温差电动势约4.0mV ，故应配用量程0～20mV,并能读到0.01mV 的数字电压表（数字电压表前端采用自稳零放大器，故无须调零）。

由于热电偶冷端温度为0℃,对一定材料的热电偶而言，当温度变化范围不大时，其温差电动势（mV ）与待测温度（0℃）的比值是一个常数。

由此,在用（S1-4）计算时,可以直接以电动势值代表温度值。

【实验注意事项】
1、稳态法测量时，要使温度稳定约要40分钟左右。

手动测量时，为缩短时间，可先将热板电源电压打在高档，一定时间后，毫伏表读数接近目标温度对应的热电偶读数，即可将开关拨至低档，通过调节手动开关的高档、低档及断电档，使上铜盘的热电偶输出的毫伏值在±0.03mV 范围内。

同时每隔30秒记下上、下圆盘A 和P 对应的毫伏读数，待下圆盘的毫伏读数在3分钟内不变即可认为已达到稳定状态,记下此时的V T1和V T2值。

2、测金属的导热系数时,T 1、T 2值为稳态时金属样品上下两个面的温度，此时散热盘P 的温度为T 3。

因此测量P 盘的冷却速率应为：
221133R T T h t T mc t T T T T T πλ*-*∆∆=∴∆∆==2
2121222T
T P P P
P dt
dT
T T h R R h R h mc =•-••++-=πλ
测T
3值时要在T
1
、T
2
达到稳定时，将上面测T
1
或T
2
的热电偶移下来插到金属两端的
小孔中进行测量。

高度h按小孔的中心距离计算。

3、圆筒发热体盘侧面和散热盘P侧面，都有供安插热电偶的小孔，安放发热盘时此二小孔都应与杜瓦瓶在同一侧，以免线路错乱，热电偶插入小孔时，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，保证接触良好，热电偶冷端接到冰点补偿器信号输入端。

4、样品圆盘B和散热盘P的几何尺寸，可用游标尺多次测量取平均值。

散热盘的质量m 约0.8㎏，可用药物天平称量。

5、本实验选用铜—康铜热电偶，温差100℃时，温差电动势约4.27mV ，故配用了量程0—20mV的数字电压表，并能测到0.01ｍV的电压。

附录3 实验举例（数据仅供实验老师参考）
例1：实验时室温25℃,热电偶冷端温度0℃。

待测样品：硅橡胶。

实验步骤：
1、用游标卡尺和天平测量样品、下铜板的几何尺寸和质量等必要的物理量，多次测量、然后取平均值。

其中铜板的比热容c=3.805×102./Kg ℃-1
1.1 散热盘（下铜板）厚度
h(多次测量取平均值)：
P
表1 散热盘厚度（不同位置测量）
所以散热盘的厚度：
h＝7.01mm；
P
1.2 散热盘（下铜板）半径
R(多次测量取平均值)：
P
表2 散热盘直径（不同角度测量）
所以散热盘的半径：
R＝65.00mm；
P
1.3 散热盘（下铜板）质量m
m=824g=0.824kg；
1.4 硅橡胶样品厚度
h（多次测量取平均值）:
B
所以硅橡胶样品的厚度：
h＝8.05mm；
B
R（多次测量取平均值）:
1.5硅橡胶样品半径
B
R＝63.50mm；
所以硅橡胶样品半径：
B
2、在上铜板和下铜板中放入硅橡胶，调节支撑下铜板的3个固定调节旋钮，使相互接触良好，注意不要过紧或太松。

3、把测量上铜板温度的热电偶的信号端与仪器面板的I信号输入相连，热电偶的热端插在上铜板的小孔中（确保孔中有导热硅脂使导热良好），冷端插在装有冰水混合物的保温瓶中；把测量下铜板温度的热电偶的信号端与仪器面板的II信号输入相连，热电偶的热端和冷端分别放在下铜板和保温瓶中。

4、温度控制器温度设定在100℃（或其他合适的温度值），开关切换到自动控制。

5、20～40分钟后(时间长短随被测材料、测量温度及环境温度等有所不同)，待V T1读数稳定后（波动小于0.01mV），每隔2分钟读取温度示值见下表5，直到V T2读数也相对稳定（10分钟内波动小于0.01mV）：
表5：
由于热电偶冷端温度为0℃，对一定材料的热电偶而言,当温度变化范围不太大时，其温差电动势（mV ）与待测温度（℃）的比值为一常数。

故可知稳定时，上、下铜板稳态温度T1和T2对应的电动势为V T1=4.21 mV 和V T2=3.14 mV 。

6、测量下铜盘在稳态值T 2附近的散热速率。

具体步骤是：先移去样品，调节上铜板的位置，与下铜板对齐，并良好接触，对下铜板加热。

当下铜盘温度比T 2高出10℃（对应热电势高出0.39mV ）左右时，移开上铜板，让下铜盘所有表面均暴露于空气中，使下铜板自然冷却。

每隔30s 记录的温度示值见下表6。

表6：
7、计算硅橡胶的导热系数：
=10333.15486.001851.0⨯⨯⨯ =0.135W •m -1℃-1 8、误差分析：
根据以上公式，可得到不确定度的计算公式为：
2
2
2
2
2
222
112
2
)()(2⎪⎭
⎫
⎝⎛∆∆∆+⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=∆t t V V R R h h V V V V R R h h P P P P B B B B λλ
因为测量直径和厚度的不确定度为0.01mm ，所以△h B 、△R B 、△h P 、△R P 均为0.01mm 。

数字表的读数不确定度为0.01mV ，所以△V 1、△V 2、△V （△V ）均为0.01mV 。

计时秒表的分辨率为0.01S ，不确定度为±0.01S ，所以△t 为0.02S 。

由此可计算出λ的不确定度为：
2
2
2
2
2
2
2
2
12018002.010.318.301.06501.001.701.014.301.021.401.05.6301.0205.801.0⎪⎭
⎫
⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=∆λλ
=0.125
故：△λ=λ•
=∆λ
λ
0.135×0.125=0.017W •m -1•℃-1
因此：λ±△λ=(0.135±0.017) W •m 1•℃-1
从有效数字位数知，其不确定度主要来源于冷却速率这一项，可外接电位差计测量热电偶的热电势以提高测量精度，减小不确定度。

例2：实验时室温25℃,热电偶冷端温度0℃。

待测样品：硬铝。

实验步骤：
(
)(
)
1201801010.318.310701.01050.62105.610701.0210)14.321.4(1035.614.310805.010805.3824.03
2
22232222-⨯-⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯⨯⨯=--------）（）（()()2
212
222)
(T T P P P P B B
t
V
h R R h V V R mch =∆∆⋅++⋅
-π=
λ
1、用游标卡尺和天平测量样品、下铜板的几何尺寸和质量等必要的物理量，多次测量、然后取平均值。

其中铜板的比热容c=3.805×102./Kg ℃-1 1.1 散热盘（下铜板）厚度P h 、 散热盘（下铜板）半径P R 以及 散热盘（下铜板）质量m 见例1。

1.2 硬铝样品两孔距离h （多次测量取平均值）:
硬铝样品两孔距离：h ＝86.05mm ；
1.3硬铝样品半径B R （多次测量取平均值）:
所以硬铝样品半径：B R ＝20.02mm ；
2、先在硬铝的两面涂上导热硅脂，在硬铝的上端套上绝热板，下端不用套，然后放入上铜板和下铜板中间，调节支撑下铜板的3个固定调节旋钮，使相互接触良好。

3、将测量T1和T2的热电偶热端移下来分别插入到硬铝的上端孔和下端孔中，冷端均置于冰水混合物中。

（在孔中涂上导热硅脂，确保导热良好）
4、温度控制器温度设定在100℃，开关切换到自动控制（实验时，温度可以自由设定）。

温度的设定详见温度控制使用说明。

5、20～40分钟后(时间长短随被测材料和环境有所不同)，待V T1读数稳定后（波动小于0.01mV ），每隔2分钟读取温度示值见下表9，直到V T2读数也相对稳定（10分钟内波动小于0.01mV ）： 表
从表9可知稳定时，硬铝上、下孔稳态温度T1和T2对应的电动势为V T1=3.86mV 和V T2=3.54 mV 。

6、将测量硬铝下孔温度的热电偶热端移出插入到下铜板小孔中，稳定后，记下下铜板在温度T 3时对应的温度电势V T3=3.44 mV 。

7、测量下铜盘在稳态值T 3附近的散热速率。

具体步骤是：先移去样品，调节上铜板的位置，与下铜板对齐，并良好接触，对下铜板加热。

当下铜盘温度比T 3高出10℃（对应热电势高出0.39mV ）左右时，移开上铜板，让下铜盘所有表面均暴露于空气中，使下铜板自然冷却。

每隔30s 记录的温度示值见下表10。

表
8、计算硬铝的导热系数：
在铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热面积为2πR P 2+2πR P h P (其中R P 和h P 分别是下铜板的半径和厚度)。

然而在实验中稳态传热时，铜板的上表面中面积为π
R B 2是由硬铝样品覆盖的，由于物体的散热速率与它们的面积成正比，所以稳态时，铜板散热速率的表达式应修正为：
根据前面的分析，这个量就是样品的传热速率。

将上式代入热传导定律表达式，并考虑到ds=πR B 2 可以得到导热系数：
=128.445 W •m -1℃
-1
9、误差分析：
根据以上公式，可得到不确定度的计算公式为：
2
2
2
2
2
222
112
2
)()(2⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆∆+⎪⎭⎫ ⎝
⎛∆∆∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=∆t t V V R R h h V V V V R R h h P P P P B B B B λλ 因为测量直径和厚度的不确定度为0.01mm ，所以△h B 、△R B 、△h P 、△R P 均为0.01mm 。

数字表的读数不确定度为0.01mV ，所以△V 1、△V 2、△V(△V)均为0.01mV 。

计时秒表的分辨率为0.01S ，不确定度为±0.01S ，所以△t 为0.02S 。

由此可计算出λ的不确定度为：
2
2
2
2
2
2
2
2
12018002.039.351.301.06501.001.701.054.301.086.301.002.2001.0205.8601.0⎪⎭
⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=∆λλ
=0.083
故：△λ=λ×
=∆λ
λ
128.445×0.083=10.717W •m -1•℃-1
因此：λ±△λ=(128.445±10.717) W •m 1•℃-1
从有效数字位数知，其不确定度主要来源于冷却速率这一项，可外接电位差计测量热电偶的热电势以提高测量精度，减小不确度。

()
2
222
2223222
210701.01050.62105.610002.210701.021050.6210)54.386.3(10002.214.310605.810805.3824.0---------⨯+⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯-⨯⨯+⨯⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯⨯⨯=）（）（P
P p B
P P p h R R R h R R dt dT mc dt dQ πππππ22222
2
2+-+⋅-=3
2
1222212222T T B P
P
p
B P P p dt
dT
T T h R h R R R h R R mc =⋅-⋅⋅+-+-=ππππππλ120
1801039.351.33-⨯-⨯-）（3
22122222)
(T T P
p p
B
P p B t
V h R R R
h R V V R mch
=∆∆⋅
+-+⋅
-=
πλ。