实验8 闪光法导热系数的测定(8185)4050.doc

实验8 闪光法导热系数的测定(8185)4050.doc实验八闪光法测定不良导体的导热系数导热系数(又称热导率)是反映材料热性能的重要物理量,热传导是热交换的三种(热传导、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,材料的导热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。在科学实验和工程技术中所有材料的导热系数都需要实验的方法精确测定。【实验目的】学****用闪光法测定不良导体导热系数的方法;了解一种测定材料热物性参数的方法;学****使用高压脉冲光源和光路调节技术及微机控制实验和采集处理数据。【实验仪器】闪光法导热仪:高压脉冲疝灯及电源、光学调节系统、待测样品、P-N结温度传感器、放大电路、、AD/DA卡,微机、软件。【实验原理】。其微观机制是,由自由电子或晶格振动波作为载体进行热量交换的过程。宏观上是由于物体内部存在温度梯度,发生从高温区向低温区域传输能量的过程。1822年Fourier首次在他的著作《热的理论分析》中阐述了导热热流和温度梯度的正比关系。我们用热流密度的矢量形式表示,有傅立叶导热定律:其中q为热流密度矢量,表示在单位等温面上沿温度降低方向单位时间内传递的热量。是热导率,显然是反映物质导热能力的重要物性参数,其物理含义是:每单位时间内,在每单位长度上温度降低一度时,每单位面积上通过的热量。在1994年实施的国家标准《量和单位》一书中定义热导率(thermalconductivity)为面积热流量除以温度梯度,单位为。。采用圆形薄试样,其一面有一个脉冲型的热流加热,根据另一面温度随时间的变化关系,可确定热扩散率,进而由公式可以得到热导率,其中和分别为材料的比热容和密度。原理示意图见图9-1。假设有一图9-1束能量为的脉冲光在时刻照射在试样表面(试样为薄圆片状,脉冲光沿垂直于圆面的轴线方向辐照),且被试样均匀吸收,可以认为在距表面的微小距离内样品温升为:(9-1)(9-1)式中为单位面积吸收的能量,为样品厚度且。当试样周围热损很小以至可以忽略时,可以认为侧面绝热,可用一维导热微分方程(9-2)来描述其物理过程,其中就是试样材料的热扩散率。由式(9-1)所列的边界条件和初条件,方程(9-2)的解为:(9-3)在试样背面处温升可表示为:(9-4)当时,达到最大,有。定义,,则:(9-5)将(9-5)式作图表示,见图9-2。令,求得。将对应的时间记为,可得热扩散率:(9-6)进而有热导率:(9-7) 上述处理过程要满足的条件是:试样面积厚度,则侧面散热可忽略,可视为一维热流;试样温升小,则向环境的散热可忽略不计;试样材料均匀,各向同性;试样一面受光辐照,在极薄层内吸收并转化为热量;光辐照时间远远小于热量在试样内传播的时间等等。本系统用于测定不良导体的热导率,还可以同时测定不良导体的热扩散率和比热容。此方法特点是:试样尺寸可以做得很小(如直径为1cm);测量周期短(约十至几十秒);待测温度为相对测量量,故测温仪器不须做绝对定标;测温元件灵敏度高,响应时间短;数据处理方法简便,使用微机采集和处理数据快