不良导体导热系数的实验研究.doc

非金属固体材料导热系数的测量
2004/04
图1、热线法测定非金属固体材料导热系数的原理示意图
试样
热线
用热线法测量不良导体导热系数是一种广泛使用的方法,国家对此制定了标准——“非金属固体材料导热系数的测定——热线法”(GB/T 10297-1998)。基本原理如图1所示,在匀质均温的物体内部放置一电阻丝,即热线,对其以恒定功率加热时,热线及其附近试样的温度将随时间变化。根据时间与温度的变化关系,可以确定该试样的导热系数。[1]
[原理简述]
由热传导理论[2]可知,恒定功率的热线对匀质物体进行热传导时,可以用一维柱坐标系的热传导方程对物体的温度场进行描述: (1)
边界条件为:
(t=0,r≥0),(t>0,r=¥),(t>0,r=0)[3] (2)
根据热传导方程和边界条件得到解为: (3)
其中各物理量含义为,t:热线的加热时间,单位为s;r:距热线的距离,单位为m;q:热线单位长度的加热功率,单位为W/m;:加热时间t,距离热线距离r处的温升,单位为K;α:试样的热扩散率,单位为m2/s;λ:试样的导热系数,单位为W/(m·K),对于非金属固体材料,该系数一般小于2 W/(m·K)。
假设→0,即r→0或αt→∞,利用Euler公式,忽略展开后二次项以后的各项。如果在不同时间t1、t2,测的同一点r处的温升为、,则: (4)
根据(4)可以得到试样的导热系数
[4] (5)
(5)式中,I、U分别热线的通电电流(单位为A)和电压(单位为V),L为有效加热长度(单位为m)。因此,当等时间间隔测量试样的温升时,ln(t2/t1)和呈线性关系,据此计算试样的导热系数。
[实验设计]
实验装置如图2所示。试样为环氧树脂,有效长度220mm,直径28mm。加热丝为钨杆,直径1mm,RWu=,加热电流3~5A。温度测量利用电阻——温度系数(αR=℃-1)线性比较好的铜丝进行,关系式为:
100Ω/%/
V
%/10A
V
<
<5A
双向开关
双向开关
图2、实验装置图
RCu=R0(1+αR t) (6)
R0为0℃时的电阻值。,为保证基本不产生热效应,宜选择小工作电流(<2mA),当试样温度变化时,铜丝电压也随之变化。增加铜丝绕制匝数或减小直径,可以获得较大变化的电压值。
[实验步骤]
由于热丝加热和铜丝电阻测量均采用恒流供电,因此要确定工作电流大小。特别注意:调节电流时,恒流源不能开路调节(否则Pout®¥,电源会烧毁)。
将加热丝和采样小电阻串入大电流恒流源,120mV电压表检测大恒流源输出和加热丝工作状态(实验要求加热功率变化小于±1%)。将测温铜电阻和采样大电阻串入小电流电路,120mV电压表检测小恒流源输出和铜丝电阻变化。
确定各连线没有问题后,先接通测温电路,再接通加热电路,稳定10分钟