導熱系數(shù)儀是一種基于傅立葉導熱定律而進行材料導熱系數(shù)測量的儀器,在導熱過程中,單位時間內(nèi)通過給定截面的熱量,與該截面的面積和垂直于該截面方向的溫度梯度成正比,在一維穩(wěn)態(tài)導熱時,其數(shù)學表達為:
(1)
經(jīng)過積分換算,公式(1)可以推導出
(2)
其中, ——為被測材料的導熱系數(shù), ;
Q——為通過被測材料試樣的傳熱量,W;
h——為被測材料試樣的厚度,m;
A——為計量板的面積,㎡;
——為被測材料試樣高溫傳熱面的平均溫度,℃;
——為被測材料試樣低溫傳熱面的平均溫度,℃
這個公式成立有3個前提條件:(1)傳熱是一維傳熱,側(cè)面沒有熱傳遞或熱損失;(2)被測材料具有各向同性或垂直導熱截面上有相同的熱物性;(3)溫差是被測材料兩個傳熱面上溫度的差值。但是,在實際中測量由于儀器設(shè)備和測量手段的約束,往往無法理想的滿足這三個條件,只能使之產(chǎn)生的影響zui小化。例如使被測材料材質(zhì)盡量均勻,在側(cè)面增加絕熱板,減小側(cè)面熱損失,在盡量靠近熱板表面處埋設(shè)溫度傳感器,減小接觸熱阻等。
所以,實際應(yīng)用中的導熱系數(shù)儀通常由計量加熱單元、冷板單元、防護單元、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、壓緊系統(tǒng)和制冷機構(gòu)組成。裝置主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3. 校準方法
通過以上原理可以得知,穩(wěn)態(tài)法測量導熱系數(shù)的困難主要在于相關(guān)參量的準確獲得。由于導熱系數(shù)是標志一個過程(傳熱)的性質(zhì)的熱物性參數(shù).因此不可能通過直接靜態(tài)對比而得出。所以,可以將同樣尺寸規(guī)格的標準樣品(導熱系數(shù)已知)放在導熱系數(shù)儀中,在某一外部條件下,經(jīng)歷一個傳熱過程,另外再通過測量冷熱板的表面溫度,就可根據(jù)測量結(jié)果的比較而得到被測
導熱系數(shù)儀的測量準確度。