材料导热系数实验教学研究获奖科研报告论文

材料导热系数实验教学研究获奖科研报告论文

【摘要】导热系数是描述材料热传导性最为重要的热物性参数，应用特别广泛，但是热传导原理较为抽象，难于将理论应用于实践。材料导热系数实验教学涵盖了热传导原理、实验操作、结果分析，初步探讨了以激光闪射法为主的实验教学方法，将理论应用于实践，培养学生的动手能力，为以后工作测试及科学研究服务。

【关键词】导热系数

实验

教学

【课题项目】内蒙古大型科学仪器开放共享试点建设。

1N451B12095-308935-0207-01

导热系数与热扩散系数是描述材料热传导性最为重要的热物性参数，其广泛的应用于建筑材料、陶瓷材料、金属材料、复合材料、涂层材料、保温材料、高分子材料等多个领域。如：肖建庄等通过测量混凝土导热系数考察了包括骨料体积分数、水灰比、骨料类型、外掺料掺量、温度等因素对混凝土导热系数的影响[1];吕兆华针对泡沫型多孔介质导热系数进行了理论计算和实验测试一致性研究，结果表明热辐射在多孔介质传热中有重要作用[2];孟春玲等提出了一种米饭导热系数的测量方法，为自热食品的后续研究提供基础和理论依据[3]。

导热系数测定实验是无机非金属材料专业的基础实验，目前实验还不完善。导热系数的测试方法有很多种，结合教学资源，采用激光闪射法测导热系数作为实验教学课程。激光闪射法（LFA）是一种快速灵活的测量方法，近年来发展十分迅速，不仅能精确地直接测量热扩散系数，也可通过比热的测量或输入进一步计算得到导热系数。通过本实验教学不仅可以让学生将热传导理论应用于实践，还可以了解激光导热仪（LFA）的测量原理及操作技术，为以后工作测试及科学研究服务。

一、导热系数测定的实验教学

1.实验目的

（1）通过讲解让学生了解材料热传导的原理、分类、测试方法及导热系数在实践中的应用。

（2）通过现场实验演示，让学生了解激光导热仪的工作原理，及简单的实验操作步骤及注意事项。

（3）通过举例分析，让学生理解材料热扩散系数、比热及密度（膨胀量）之间的关系，学会数据处理及结果分析。

2.实验原理及设备

材料的导热性能测试方法很多，大体可分为稳态法与瞬态法。稳态法测量材料的温度范围与导热系数范围较窄，主要适用于在中等温度下测量中低导热系数材料。瞬态法测量的温度范围较为宽广，尤其适合于高导热系数材料以及高温下的测试。激光闪射法（LFA）属于瞬态法，应用特别广泛，包括陶瓷、玻璃、金属、熔融物、液体、粉末、纤维与多层材料等各种材料，从低导热材料直至最高导热系数的金刚石，都可在相同的速度与精度下进行测量。

本实验教学设备是德国耐弛额激光导热仪LFA427，可测量基片上金属、陶瓷、聚合物薄膜的热物性参数，如热扩散系数、热导率、吸热系数和界面热阻等。测量的温度范围为RT（室温）-1650℃;升降温速率为0.01-50℃/min;激光能量为25J/pulse;樣品直径为12.3-12.7mm;样品厚度为0.1-4mm。

激光导热仪的工作原理如下：在炉体控制的一定温度下，由激光源发射光脉冲均匀照射在样品下表面，使试样均匀加热，通过红外检测器连续测量样品正面的温度随时间变化，得到温度（检测器信号）升高和时间的关系曲线（图1）。

图1

激光导热仪原理与激光信号图

热量在样品内部的传导过程为理想的由下表面至上表面的一维传热，不存在横向热流，且外部测量环境为理想的绝热条件，则通过半升温时间t1/2[在接收光脉冲照射后样品上表面温度（检测器信号）升高到最大值的一半所需要的时间]，由修正公式1直接得出样品的热扩散系数。

？琢=0.1388×

公式1

式中：？琢为热扩散系数，mm2/s;d为材料的厚度。

在已知温度下的热扩散系数、比热与密度的情况下便可计算得到导热系数。密度一般在室温下测量，其随温度的变化可使用线膨胀系数表进行修正;比热可使用文献值、可使用DSC等方法测量，也可在LFA中使用比较法与热扩散系数同时测得。如公式2所示：

？姿=？琢×？籽×Cp公式2

式中：？姿为导热系数，W/（m·K）;Cp为比热，J/（g·K）;？籽为密度，g/cm3。

3.操作步骤

（1）试样的准备：

a.样品要求：直径为6mm，厚度为2-4mm的圆柱体。

b.多次测量样品的厚度，取平均值。

c.对于高反射或透明样品，需在样品两个表面喷碳和喷金。

（2）测试步骤

a.在红外检测器内注入液氮，30分钟后检测器稳定。

b.打开测量电源，打开路子加热单元电源，打开恒温水浴（设定温度比室温高2-3度），打开激光电源单元。

c.开机后调节吹扫气输出压力及等待流速稳定。

d.打开炉子，装样，关闭炉子。

e.抽真空后，充入保护气体，反复三次。

f.打开计算机测量软件，设定测量参数，开始测量。

4.结果分析

实验样品为氧化钇陶瓷材料，升温速率为10℃/min，温度点取200℃、400℃、600℃、800℃;每个温度点取3个值。测试结果为陶瓷材料的热扩散系数，为了得到材料的导热系数还需进行比热测试。比热测试也可采用激光导热仪进行测试，参比样品为石墨样品，测试条件与陶瓷材料一致，通过对比石墨样品比热数据库导出测试样品比热。材料密度可根据热膨胀实验进行修正。最后根据热扩散系数、比热及膨胀量推算出材料的导热系数。

以陶瓷导热系数实验为例，让学生了材料热传导过程，明确解激光电压、脉冲宽度、放大增益、采样时间、半升温时间、材料热扩散系数、比热、膨胀量、导热系数的概念及相互关系;理解整个实验流程、关键环节及注意事项，学会如何用热传导原理分析实验结果，为今后的工作测试、科研研究服务