测量复合材料导热系数的实验方法

1.实验目的

（1）了解导热仪的测试原理和使用方法。

（2）掌握复合材料导热系数的测试方法。

2.实验原理

热是一种能量，传热是能量的交换或流动，传热有很多种形式，包括对流、辐射以及传导。材料内部热传导是通过能量交换或自由电子漂移的方式完成的。

傅里叶传导定律表明，热传导的快慢与材料横截面积、温度梯度、导热系数成正比，用方程可表示为

式中，Φ为热流量（W）；λ为导热系数［W／（m·K）］；A为热传导的横截面积（m2）；ΔT／Δx为温度梯度（K／m）。

护热板法指在稳定状态下，单向热流垂直流过板状试样，通过测量在规定传热面积内一维恒定热流量及试样冷热表面的温度差，可以计算出试样的导热系数。

热流量指单位时间内通过一个面内的热量。热流量密度指垂直于热流方向的单位面积热流量。导热系数是材料导热特性的一个物理指标，数值上等于热流密度除以负温度梯度。试样平均温度指稳定状态时，试样的高温面温度和低温面温度的算术平均值，也可简称为平均温度。试样温度差指稳定状态时，试样的高温面温度和低温面温度的差值。

导热系数这一概念针对仅存在导热这一传热形式的系统，当存在如辐射、对流和传质等多种传热形式时，系统的复合传热关系通常称为表观导热系数、显性导热系数或有效导热系数。此外，导热系数是针对均质材料而言的，实际情况下，还存在多孔、多层、多结构、各向异性的材料。因此，复合材料获得的导热系数实际上是一种综合导热性能的表现，也称为平均导热系数。

利用护热板导热仪可测定复合材料的导热系数，可按式（5-20）进行计算，取2位有效数字。

式中，λ为导热系数［W／（m·K）］；P为主加热板稳定时的功率（W）；d为试样厚度（m）；A为主加热板的计算面积，对特定测试装置而言该数值为固定值（m2）；t 1，t 2分别为试样的高低温度（℃）。

3.实验设备及原材料

护热板导热仪、复合材料试样。

护热板导热仪包括热板、冷热源控制系统和智能测量仪三部分。热板包括主加热板、护加热板以及背护加热板三部分。主加热板和护加热板由电阻加热器及智能测量仪控温，背护加热板由精密恒温水槽控温，使3块加热板的温度保持一致。冷板由铝板、半导体制冷体和冷却水套组成，可将冷板温度精确控制在设定值。智能测量仪用于测量及控制整个测试系统的温度，以实现全自动测试。

试样边长或直径应与加热板相等，通常为100 mm。试样厚度至少是5 mm，最大不大于其边长或直径的1／10。试样表面平整，表面不平度不大于0.50 mm／m；试样两表面平行。每组试样不少于3块。

4.实验步骤

1）试样准备

至少测量4次试样厚度，精确到0.01 mm，取算术平均值。

2）安装试样

注意消除空气夹层，并对试样施加一定的压力。

3）调节温差(www.xing528.com)

调节主加热板与护加热板以及主加热板与底加热板之间的温差，使之达到平衡，由温度不平衡所引起的导热系数测试误差不得大于1%。

4）记录温差

达到稳定状态后，测量主加热板功率和试样两面的温差即可。所谓稳定状态是指在主加热板功率不变的情况下，30 min内试样表面温度波动不大于试样两面温差的1%，且最大不得大于1℃。

5）对比实验

为了研究温度和湿度对导热系数的影响，在不同温度和湿度条件下按上述步骤对导热系数进行3～5次测试，并比较分析。测试前先将试样放置在不同湿度的环境中平衡24 h，然后将试样的各面用4层塑料薄膜包裹起来。薄膜的水蒸气渗透阻为1.5 m，可视为不透气。塑料薄膜的厚度和热阻均可以忽略。

5.实验结果

（1）将测得的原材料的厚度、面积、温度等记录在表5-8中并进行数据处理。其中有关仪器设备的参数已提前预设。

（2）按照式（5-20）计算每个试样的导热系数，并求出每组试样的平均值，记录在表5-8中。

表5-8　导热系数测定数据记录及计算

（3）将在步骤5中所得到的不同湿度、不同温度下试样的导热系数记录在表5-9中并进行比较，利用计算机作图。

（4）根据所作的图分析温度、湿度对试样的影响，并讨论其原因。

表5-9　温度、湿度及导热系数数据记录

6.思考题

（1）测量材料导热系数的方法有哪几种？

（2）平板导热仪适合测定哪些材料？有何优缺点？

（3）湿度和温度如何影响材料的导热系数？

（4）从结构上讲，影响复合材料导热系数的因素有哪些？