| 查看: 248 | 回复: 0 | ||
| 当前主题已经存档。 | ||
[资源]
【资源】平面热源法瞬态测量材料热物性的基本原理
|
||
|
平面热源法瞬态测量材料热物性的基本原理 陈昭栋 (西南科技大学 四川 绵阳 621002) 众所周知，固体材料的热导率、热扩散系数、比热和密度等热物理性质，随着材料，材料的结构、密度、多孔性、导电性、温度、含湿率的不同而变化，有些材料还与方向有关；对应于不同的材料和不同的实验条件，测量材料的热物理性能，在科学研究和工程技术上，具有至关重要的意义；热物性测量与力学测量、电学测量、光学测量等一样，是物性研究的基本测量技术之一。 材料热物理性质可以用稳态法、准稳态法和非稳态法(即瞬态法)进行测量。目前，国内主要使用稳态法测量(防护热板法)材料的热导率。激光热导仪、热栅法测量热扩散系数、热波法测量热导率等的研究,也都属于稳态法或准稳态法测量。SHT-20则是采用瞬态法测量材料的热扩散系数、热导率、比热及密度等热物理性质。所谓瞬态测量，是指在加热(或冷却)过程中,空间各点温度随时间而变化的过程，实现对材料热物理性质的测量。瞬态测量不要求恒温环境，测量迅速准确，省力低耗，是当今材料热物性测量发展的趋势和方向。 根据模型的不同，瞬态法测量又主要分为平面热源法、热线法。而平面热源法也有脉冲法、恒流(功率)法之分。这里仅以平面热源法进行介绍： 1 平面热源法 平面热源法，是指加热热源为一理想平面的片状物，用于对无限大均匀材料进行均匀、恒定热流加热测量的方法。对平面热源的基本要求：一是厚度可以略而不计；二是在有效加热面积范围内均匀发热，单位面积发出的热量不随时间变化，即热源的热流强度保持恒定；三是加热片有效加热面积与试件的横截面积相等。用平面热源法加热测量时，只要加热片足够大，就可以认为热流只在垂直于热源平面的方向上传导。因而，构成一个理想的一维导热问题。 2 一维半无限大介质的导热微分方程及其解 材料的热物理性质，通常指材料的热扩散系数、热导率、比热和密度等。对于均匀无限大介质，若其中存在一个无限大的，均匀且恒定发热的平面热源（热流强度为 ），则在垂直于平面热源的方向上，可视为理想的半无限大传热问题。用热力学第一定律和付里叶热传导定律，可以导出其传热方程为 (1) 式中， ，表示在距离平面热源的位置为 处， 时刻温度的变化； 为材料的热导率； 为热扩散系数。若试件材料的密度为 ，比热为 。则这些热物理系数之间存在如下关系 （2） 在用热惯性很小（加热片极薄）的平面热源加热时，在试件升温的过程中，介质中垂直于面热源方向上，距热源为 处的温度变化，不难由（1）式的定解问题,用拉氏变换解得 ： （3） 式中 （4） （5） 此解表明:在加热升温过程中,温度场是时间的函数. 3 脉冲法测量热扩散系数 对上述解，用托哈默尔定理可以推论，加热到 时刻断电，至脉冲加热（ ）停止之后的 时刻（记时起点与 相同），试件中 处（热面）的温度变化为 （6） 由式（3）、（6）两式可以解得 （7） 在（7）式中，温度变化和相应的测温时间都是可以测量的。用测量值 ， ， 和 等，代入（7）式，可以计算出函数 的值。将计算得到的 代入（4）式，解出 。用 的值，代入（5）式，即可计算待测材料的一系列热扩散系数 。此即平面热源法脉冲加热测量热扩散系数的原理。 4 脉冲法测量热导率 将（6）式改写为 （8） 式中，加热片的热流强度 可用下式 ， （9） 计算。式中I表示加热电流，R为加热片中发热体的电阻，A为加热片的有效加热面积。I、R可测，A已知。用这些值，代入（9）式，可以计算出加热时的热流强度 。将 、 （3中已经测出）、 及相应的测温时刻一起代入（8）式，即得待测材料的热导率 。 5 恒流(功率)法测量热扩散系数 恒流法测量用的装置和热传导方程与脉冲法相同。只是测量时不是脉冲加热，而是一直用恒定热流加热。因而，计算所用的测量数据，都是用恒定热流加热升温过程的数据。没有停止加热之后，热面降温的过程。所以，称恒流法或恒功率法。显然，对恒流法，（1）到（5）式仍然适用。 且由（5）式可以看出，当 时，必有 。用之代入（4）式，当有 。将这些结果应用于（3）式，应有 （10） （10）式可以改写成 ，将此代入（3）式，得到 （11） 在（11）式中，测温时间 (在实际测量中，在一定的近似条件下，常取 )，相应的热面、冷面的温升都是可测量的。只要测出这些量，就能计算出函数 的值。将该计算值，代入（4）式，应能解出 来。从而可以计算热扩散系数 （12） 这就是用恒流法测量材料热扩散系数的依据。 6 恒流法测量热导率 由（10）式解出热导率，即得 （13） 式中的热扩散系数已由（12）式得到，时刻 由测量得到，只要仍用（9）式计算出平面热源的加热强度 ，用之代入（13）式，即得待测量材料的热导率。 7 比热的测量 由热扩散系数 的定义式（2）： 。可以解出比热 （14） 在前面测量得到热扩散系数和热导率后，只需要再测量出材料的密度 ，就能计算比热。在作热测量之前，先期测量出薄试件的质量m和体积 ，即有 。从而，实现对比热的测量。 8 材料蓄热系数的估算 当材料受到周期性热作用时，可以证明材料中的能量也是以相同周期变化的。此时，蓄热系数是描述材料热物性的重要物理量，其定义为 （15） 式中， 为周期热作用的圆频率、 表周期。在热扩散系数、热导率、密度与比热已经测定的情况下，只要知道热作用的周期或频率，就可以用（15）式估算材料的蓄热系数。 9 热阻率和热阻的计算 在建筑物理或环境物理中，常用到热阻率 和热阻 的概念。其定义分别为 （16） （17） 式中， 为热流在材料中所传过的距离，也就是材料的厚度。不难看出，只要测量出材料的热导率后，很容易用（16）、（17）两式计算给定材料的热阻率和热阻。 以上即为颊热源法瞬态测量材料热物理性质的基本原理. 联系信息：地 址：四川 绵阳 西南科技大学理学院 姓 名：陈昭栋 电 话：0816-6687980， 0816-6088335 Email：czd19432001@yahoo.com.cn |
回复此楼» 猜你喜欢
有没有人能给点建议
已经有5人回复
-
假如你的研究生提出不合理要求
已经有12人回复
-
实验室接单子
已经有7人回复
-
全日制（定向）博士
已经有5人回复
-
萌生出自己或许不适合搞科研的想法，现在跑or等等看？
已经有4人回复
-
Materials Today Chemistry审稿周期
已经有4人回复
-
参与限项
已经有3人回复
-
对氯苯硼酸纯化
已经有3人回复
-
所感
已经有4人回复
-
要不要辞职读博？
已经有7人回复
» 本主题相关商家推荐: (我也要在这里推广)
