测定金属泡沫多孔介质导热热阻的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及属于材料的物理性能测试技术领域，尤其是测定金属泡沫多孔介质导 热热阻的方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展，金属泡沫多孔介质已广泛用于航空航天、能源等工程领域， 对其传热特性的研究也越来越引起人们的关注。作为一种工程材料，其本身的物性参数的 确定就显得十分必要。金属泡沫多孔介质，由于其固体骨架结构杂乱无序不规则，目前尚无 方法测得其固体骨架的导热系数。本说明将对金属泡沫多孔介质固体骨架的导热热阻的测 定方法进行描述。
[0003]目前，在金属泡沫多孔介质传热传质的理论研究中，对金属骨架而言，其能量方程 中的导热系数通常有两种定义或取值，一种是直接取骨架纯材料的导热系数ks，另一种是 定义或采用有效导热系数krff。由于金属泡沫多孔介质固体骨架不规则的结构特性，使其导 热过程十分复杂，故其导热系数不可以简单取骨架纯材料的导热系数，而且目前尚没有直 接测定多孔介质固体骨架导热系数的方法。对于有效导热系数，由其定义和物理内涵可知， 实质这是个完全受外部条件（除了温度之外的其它条件）支配的物理量，也就是说有效导 热系数不具有金属泡沫多孔介质热物性参数的特质，不能作为多孔介质的物性参数。所以， 能够体现金属泡沫本身传热的固有属性，又能作为一确定的物性参数使用的，只有金属泡 沫多孔介质固体骨架的热阻。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对目前技术的不足，提供了一种更能体现材料固有属性的， 更接近实际材料结构的金属泡沫多孔介质导热热阻的测定方法。
[0005] 本发明的技术方案为：一种测定金属泡沫多孔介质导热热阻的方法，其特征在于： 该方法包括以下步骤：a、将待测的金属泡沫多孔介质，按照长度及宽度与厚度比例大于6 倍的要求，制作待测试件，且置于冷热板间，试件所在区域的试验段要求密封，并进行抽真 空处理；b、待测试件上下分别布置加热板和冷却板，上部加热板采用电加热，下部冷却板采 用冷却模块进行冷却，加热板和冷却板与环境接触的上下外表面，以及试验段的其它四个 面均采用高保温性能的材料进行保温隔热密封；c、上部加热板通电加热，下部冷却板由冷 却模块进行冷却，当整个传热过程达到稳态时，同时试验段达到一定的真空度且维持不变， 由数据采集及处理系统对温度、电流以及电压等数据进行实时采集；d、根据一维稳态导热 理论，由数据采集及处理系统对所采集的数据进行处理，最后得到待测金属泡沫孔介质的 导热热阻，并出具测试报告。
[0006] 测定金属泡沫多孔介质导热热阻的方法采用的实验系统包括待测的金属泡沫多 孔介质、加热板、冷却板、保温隔热材料、稳压电源、数据采集及处理系统、抽真空系统、冷却 模块；金属泡沫多孔介质上下分别布置加热板和冷却板，加热板和冷却板与环境接触的上 下外表面，以及试验段的其它四个面均采用高保温性能的保温隔热材料进行密封；加热板 与稳压电源连接，由稳压电源通电加热；冷却板与冷却模块相连；抽真空系统与金属泡沫 多孔介质相连接；金属泡沫多孔介质与加热板和冷却板之间分别布置多个热电偶，数据采 集及处理系统与所布热电偶及稳压电源相连。
[0007] 本发明的优点在于：本发明的测定方法快速、简便、准确度高。例如，要测定金属铜 泡沫的导热热阻，只需事先将加热板、冷热板布置于试件上下两侧，试件上下两侧分别布置 多个热电偶，四周布置保温材料，试件经真空处理，加热达到稳态后，采集温度、电流、电压 等数据，就可以由数据采集及处理系统计算求出材料的导热热阻。
[0008] 本方法除了可检测金属泡沫外多孔介质导热热阻，其他类似的非金属泡沫多孔介 质的导热热阻也可依此方法来进行测定。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明测定金属泡沫多孔介质导热热阻的装置示意图。
[0010] 图中：1-金属泡沫多孔介质；2-加热板；3-冷却板；4-保温隔热材料；5-稳压电 源；6-数据采集及处理系统；7-抽真空系统；8-冷却模块。
【具体实施方式】
[0011] 本实验系统包括待测的金属泡沫多孔介质1、加热板2、冷却板3、保温隔热材料4、 稳压电源5、数据采集及处理系统6、抽真空系统7和冷却模块8。金属泡沫多孔介质1上 下分别布置加热板2和冷却板3,加热板2和冷却板3与环境接触的上下外表面，以及试验 段的其它四个面均采用高保温性能的保温隔热材料4进行密封。加热板2与稳压电源5连 接，由稳压电源5通电加热。冷却板3与冷却模块8相连。抽真空系统7与金属泡沫多孔 介质1相连接。金属泡沫多孔介质1与加热板2和冷却板3之间分别布置多个热电偶，数 据采集及处理系统6与所布热电偶及稳压电源5相连。
[0012] 其中，加热板2由稳压电源5提供电能加热。冷却板3与冷却模块8相连，由冷却 模块8对其进行冷却。数据采集及处理系统6实时采集温度、电流、电压等数据，将数据进 行处理得到金属泡沫多孔介质1导热热阻并出具测试报告。抽真空系统7对金属泡沫多孔 介质1进行抽真空处理并在测试期间维持真空度不变。
[0013] 由于要测定金属泡沫多孔介质1的骨架导热热阻，在试件内部不能存在空气或其 他流体介质。所以，试件测试部分要求抽真空以排除流体对流传热的影响，即仅测定固体骨 架的纯导热。为此，测试系统中设置有抽真空系统7,实验时要求实验段无泄漏，即真空度维 持在一个值不变。虽然内部做了抽真空处理，但也并不能完全排除内部存在流体的情况。所 以，将试件上部设为热面，下部设为冷面，这样可以最大程度上抑制内部流体的对流影响。
[0014] 下文以测定金属泡沫铜试件的导热热阻为例，详细阐述上述几个步骤。
[0015] 将金属泡沫铜试件进行切割，试件尺寸为h。、1。和w。，即厚度为h。(z方向）相对于 长度为Ux方向），宽度为wjy方向）很小。试件内部做抽真空处理且维持真空度不变。 系统四周布置有高保温性能的保温隔热材料，因此试件传热过程可认为是一维导热过程， 所有实验数据可按照一维导热定律处理。
[0016] 测定时，试件顶部加热板加热，底部冷却板冷却。加热板采用稳压电源供电加热， 冷却板采用盘管水冷却，当达到稳态后，数据采集及处理系统通过上下板与试件间所布的 多个热电偶测得上下板表面平均温度，上板平均温度为th(K)，下板平均温度为UK)。
[0017] 由导热微分方程：
[0018] 由于试件经过抽真空处理，可认为导热系数不变。事件经过切割，长度与宽度 远大于厚度，可认为过程是一维导热且无内热源。当试件达到稳态时上式可简化为：
[0019] 经过积分求解并代入傅里叶定律：Q = - λ Agradt
[0020] 可得
[0021] 即一维稳态导热定律
[0022] 根据一维稳态导热定律：
[0024] 其中，Q。为电源提供的总功率（W)，R。为金属泡沫铜试件的导热热阻（K/W)。
[0025] Q。可由数据采集及处理系统读取电压、电流计算得到，同时读取上板平均温度为 th(K)，下板平均温度为UK)，根据一维稳态导热定律，可以计算得到泡沫铜的热阻。
[0026] 由此方法得到的热阻更加接近真实金属泡沫多孔介质的实际值，结果更加精准。
【主权项】
1. 一种测定金属泡沫多孔介质导热热阻的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤： a、 将待测的金属泡沫多孔介质，按照长度及宽度与厚度比例大于6倍的要求，制作待 测试件，且置于冷热板间，试件所在区域的试验段要求密封，并进行抽真空处理； b、 待测试件上下分别布置加热板和冷却板，上部加热板采用电加热，下部冷却板采用 冷却模块进行冷却，加热板和冷却板与环境接触的上下外表面，以及试验段的其它四个面 均采用高保温性能的材料进行保温隔热密封； c、 上部加热板通电加热，下部冷却板由冷却模块进行冷却，当整个传热过程达到稳态 时，同时试验段达到一定的真空度且维持不变，由数据采集及处理系统对温度、电流以及电 压等数据进行实时采集； d、 根据一维稳态导热理论，由数据采集及处理系统对所采集的数据进行处理，最后得 到待测金属泡沫孔介质的导热热阻，并出具测试报告。2. 根据权利要求1所述的测定金属泡沫多孔介质导热热阻的方法，其特征在于：该方 法采用的实验系统包括待测的金属泡沫多孔介质（1)、加热板（2)、冷却板（3)、保温隔热材 料（4)、稳压电源（5 )、数据采集及处理系统（6 )、抽真空系统（7 )、冷却模块（8 );金属泡沫多 孔介质（1)上下分别布置加热板（2)和冷却板（3)，加热板（2)和冷却板（3)与环境接触的 上下外表面，以及试验段的其它四个面均采用高保温性能的保温隔热材料（4)进行密封； 加热板（2)与稳压电源（5)连接，由稳压电源（5)通电加热；冷却板（3)与冷却模块（8)相 连；抽真空系统（7)与金属泡沫多孔介质（1)相连接；金属泡沫多孔介质（1)与加热板（2) 和冷却板（3)之间分别布置多个热电偶，数据采集及处理系统（6)与所布热电偶及稳压电 源（5)相连。
【专利摘要】本发明公开一种测定金属泡沫多孔介质导热热阻的方法，该方法包括以下步骤：将待测的金属泡沫多孔介质置于冷热板间并进行抽真空处理,上部加热板通电加热，下部冷却板由冷却模块进行冷却，当整个传热过程达到稳态时，同时试验段达到一定的真空度且维持不变，由数据采集及处理系统对温度、电流以及电压等数据进行实时采集；由数据采集及处理系统对所采集的数据进行处理，最后得到待测金属泡沫孔介质的导热热阻，并出具测试报告。本发明的优点在于：本发明的测定方法快速、简便、准确度高。
【IPC分类】G01N25/20
【公开号】CN105352992
【申请号】CN201510661288
【发明人】钱维扬, 潘阳, 彭招
【申请人】华东交通大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年10月14日