一种瞬态平面热源法测试材料导热系数的方法
【专利摘要】本发明涉及一种瞬态平面热源法测试材料导热系数的方法，其通过测试装置实现该方法，该测试装置主要包括探头、电桥测试系统、数据采集及分析系统，在所述电桥测试系统中，电桥的供电电源应在0-20V范围内调节，最大电流不超过1A。本发明可以测量多种样品如：块状样品、单轴各向异性样品、薄片样品、薄膜样品，且控制精度高、检测周期短、测试结果准确。
【专利说明】一种瞬态平面热源法测试材料导热系数的方法
【技术领域】
[0001]本发明属材料性能检测领域，主要是利用平面热源测试方法对建筑用材料导热系数和热扩散系数进行检测。具体方法为，将探头放置于两个样品中间，给探头施加恒定直流电，探头放热后样品内部产生动态温度场，同时探头表面产生温升，此时探头电阻增加，使电桥测试系统中原平衡电桥失衡，产生电位变化量。通过记录测试期间不同时刻电参数的变化量，计算得出温度增值随时间变化的函数。通过对函数曲线的拟合和计算得出样品的导热系数和热扩散系数。
【背景技术】
[0002]热扩散系数和导热系数是主要的热物性参数之一，目前在已建立的各种测试方法中，根据其传热特点大致可归纳为稳态法和瞬态法。
[0003]稳态法是指当待测试样上温度分布达到稳定后，即试样内温度分布是不随时间变化的稳定的温度场时，通过测定流过试样的热量和温度梯度等参数来计算材料的导热系数的方法。它是利用稳定传热过程中，传热速率等于散热速率的平衡条件来测量导热系数。稳态法具有原理清晰、模型简单、可准确直接地获得热导率绝对值等优点，并适于较宽温区的测量；缺点是实验条件苛刻、测量时间较长；稳态法中，为了获得准确的热流，需要严格保证测试系统的绝热条件，附设补偿加热器并增加保温措施，以减小边缘热损失；另外稳态法主要用于测量固体材料的导热系数，而要把它用于研究湿材料会遇到很大困难，因为试样会由于长时间保证一定的温度场而引起含湿量的变化，这将导致导热系数的测量结果不正确。
[0004]随着新材料的发展，对测试速度的要求大大提高，而且因为新材料的多样性，传统的方法获得的参数并不能准确反映材料的性质，传统的模型也不能准确反映所要研究的过程，因此广泛应用瞬态法。瞬态法是指实验测量过程中试样温度随时间变化，通过测量试样内某些点温度变化的情况以及其他一些需要的参数，从而确定试样导热系数的方法，其分析的出发点是非稳态导热微分方程。本发明主要依据瞬态平面热源法测试。在瞬态测试方法中，试样内的温度分布是随时间变化的非稳态温度场，借助测试试样温度变化的速率，就可以测量试样的热扩散率，从而得到试样的导热系数。由于采用具有热阻性的材料同时作为热源和温度传感器，瞬态平面热源技术能够覆盖较大的热导率范围，因而可以同时适用于各种不同类型的材料。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种可以测量多种样品如:块状样品、单轴各向异性样品、薄片样品、薄膜样品，且控制精度高、检测周期短、测试结果准确的材料导热系数和热扩散系数的测试装置并通过该装置实现瞬态平面热源法测试材料导热系数的方法。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案来实现:
[0007]本发明的测试装置主要包括探头、电桥测试系统、数据采集及分析系统等(见图
I);
[0008]所述探头内部是双螺旋结构，电阻值为1Q-50Q之间，由10(±2) μ m厚的金属薄片刻蚀而成，两侧由厚度为7 μ m-100 μ m的绝缘薄膜包裹，直径D在4mm-100mm之间。金属薄片选择电阻率温度系数高、稳定性好的镍和钥；绝缘薄膜应根据使用温度选择聚酰亚胺、云母、氮化铝和氧化铝等可忽略热容量的材料。探头的测温装置可以准确感应被测样品的温度信息。双螺旋结构螺旋线源的宽度应与其间距相等，探头直径为4mm-15mm之间的双螺旋结构的间距应为(0.2±0.03)mm ;其他直径探头的双螺旋结构的间距应为(0.35±0.05)mm η
[0009]测试时，探头被夹在两片样品中间，形成类似三明治的结构，在探头上通过恒定输出的直流电，由于温度的增加，探头的电阻发生变化，从而在探头两端产生电压下降，通过记录在一段时间内电压和电流的变化，可以较为精确地得到探头和被测样品中的热流信肩、O
[0010]所述电桥测试系统(见图2)，电桥的供电电源应在(0-20)ν范围内调节，最大电流不超过1A。电桥系统中探头及其引线与电阻Rs相串联，其中Rs电阻值与探头及其引线的初始电阻值(Ro+RL)相近，且在测试过程中保持不变。数字电压表接于两元件之间，且电阻应大于探头电阻与Rs电阻值和的100倍，分辨率应达到6.5数位，是电源周期变化的整数倍。
[0011]所述数据采集及分析系统能够显示、自动采集、分析各电参数、时间参数，并能够拟合出时间-温升曲线图，最终计算测试结果，此系统包含试验操作及数据分析软件。在测试中测量探头电阻随温度的变化，确定试样的热扩散系数和导热系数的计算过程由软件自动完成。在处理数据之前需舍去一些时间所对应的数据，舍去点的个数和探头保护层的厚度及试样与探头的接触热阻的大小有关，依据实际情况酌情选取，但是点的数目不能小于100个，以保证热扩散系数和导热系数的一般性。通过最小二乘法拟合测量过程中试样表面温度增值随时间变化的函数和无量纲特征时间函数的线性关系(见图3)，最终得出导热系数。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为整体系统构造简图，其中1-主机(包括电桥回路、输出电源、计算机和数字电压表)；2_试样架；3_样品仓；4_探头；5_样品；6_恒温控制器
[0013]图2为电桥测试系统图，其中RS-串联电阻；RL-探头引线的总电阻；R0_探头初始电阻；Λ R-探头在测试中增加的电阻；Λ U-电位变化量;W-电位计
[0014]图3为温度增值与时间线性关系图。
【具体实施方式】
[0015]下面根据实施例对本发明作进一步详细说明。
[0016]平衡电桥:平衡电桥用电压应使系统电流不大于ImA,且电桥平衡后电桥测试系统数字电压表读数为零。
[0017]施加热脉冲:根据总测试时间及输出功率，对探头施加恒定的直流电,在样品内产生热脉冲，通过测试瞬态加热初始时电压，除以电桥系统总电阻(即RS+RJR。)，得到此时通过探头的电流10，且此测试过程中电位计滑动触点不应调整。
[0018]采集不平衡电压:在总测试时间内，以适当的时间间隔扫描并记录不平衡电压，即电位变化量Λ U，且采集次数应大于100次。
【权利要求】
1.一种瞬态平面热源法测试材料导热系数的方法，其通过测试装置实现该方法，该测试装置主要包括探头、电桥测试系统、数据采集及分析系统，其特征在于，在所述电桥测试系统中，电桥的供电电源在0-20V范围内调节，最大电流不超过1A。
2.根据权利要求1所述的瞬态平面热源法测试材料导热系数的方法，其特征在于，电桥测试系统中，探头及其引线与电阻Rs相串联，其中Rs电阻值与探头及其引线的初始电阻值Ro+RL相近，且在测试过程中保持不变，数字电压表接于两元件之间，且电阻大于探头电阻与Rs电阻值和的100倍，分辨率达到6.5数位，是电源周期变化的整数倍。
3.根据权利要求1所述的瞬态平面热源法测试材料导热系数的方法，其特征在于，探头内部是双螺旋结构，电阻值为1Q-50Q之间，由10(±2) μπι厚的金属薄片刻蚀而成，两侧由厚度为7 V- m-100 μ m的绝缘薄膜包裹,直径D在4mm-100mm之间。
4.根据权利要求1所述的瞬态平面热源法测试材料导热系数的方法，其特征在于，所述数据采集及分析系统能够显示、自动采集、分析各电参数、时间参数，并能够拟合出时间-温升曲线图，最终计算测试结果，此系统包含试验操作及数据分析软件。
5.根据权利要求1所述的瞬态平面热源法测试材料导热系数的方法，其特征在于，平衡电桥用电压使系统电流不大于1mA，且电桥平衡后电桥测试系统数字电压表读数为零。
6.根据权利要求1所述的瞬态平面热源法测试材料导热系数的方法，其特征在于，根据总测试时间及输出功率,对探头施加恒定的直流电,在测试样品内产生热脉冲,通过测试瞬态加热初始时电压，除以电桥系统总电阻(即RS+RL+R0)，得到此时通过探头的电流10，且此测试过程中电位计滑动触点不应调整。
7.根据权利要求1所述的瞬态平面热源法测试材料导热系数的方法，其特征在于，在总测试时间内，数据采集及分析系统以适当的时间间隔扫描并记录不平衡电压，即电位变化量Λ U，且采集次数大于100次。
【文档编号】G01N25/20GK104280419SQ201310270344
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月1日 优先权日:2013年7月1日
【发明者】任静, 张金花, 段恺, 王永艳, 崔新阳, 朱剑飞 申请人:北京中建建筑科学研究院有限公司, 北京市建设工程质量第六检测所有限公司