專利名稱：一種測(cè)量涂層導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)態(tài)復(fù)合平板法及其測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱物性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及涂層導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
美國(guó)《科學(xué)儀器綜述》(Review of Scientific Instruments，1994，第65卷，3856-3858頁(yè))介紹了一種測(cè)量薄試樣導(dǎo)熱系數(shù)的瞬態(tài)方法，該方法雖然所需的實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，不需要測(cè)量熱流量，但需通過(guò)測(cè)量導(dǎo)溫系數(shù)來(lái)間接算得導(dǎo)熱系數(shù)，計(jì)算比較復(fù)雜，而且實(shí)驗(yàn)裝置昂貴，操作起來(lái)也比較復(fù)雜。
《量熱技術(shù)和熱物性測(cè)定》(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1990年，第73頁(yè))提到一種測(cè)量隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)態(tài)平板法，該方法基于傅立葉定律，關(guān)于這個(gè)定律的詳細(xì)介紹見(jiàn)《傳熱傳質(zhì)的基本原理》(Fundamentals of Heat and Mass Transfer，John Wiley & Sons，Inc.，2002，第4頁(yè))，其應(yīng)用于一維均質(zhì)平板時(shí)具有以下形式
式中qx″為通過(guò)垂直平板的熱流密度，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，T為溫度，x為一維空間坐標(biāo)。如果是在穩(wěn)態(tài)條件下，式(1)可寫(xiě)成qx′′=λΔTδ---(2)]]>式中ΔT為平板兩側(cè)的溫差，δ為平板的厚度。該方法利用熱流片測(cè)量通過(guò)兩側(cè)處于不同穩(wěn)定溫度的平板試樣的熱流qx″，同時(shí)利用熱電偶測(cè)量平板兩側(cè)的溫差ΔT，在測(cè)得平板的厚度δ后，就可以利用式(2)算出試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。這種方法可以用于測(cè)量較厚試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，但如果試樣的厚度薄到接近熱電偶測(cè)頭直徑尺度即達(dá)到毫米量級(jí)時(shí)，測(cè)量誤差就會(huì)很大，因此，使用上述的穩(wěn)態(tài)平板法無(wú)法測(cè)量象涂層這種薄試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。
技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明提出一種測(cè)量涂層導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)態(tài)復(fù)合平板法及其測(cè)量裝置，以解決象涂層之類厚度在0.5-2mm的薄試樣的導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量問(wèn)題。
本發(fā)明提出的測(cè)量涂層導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)態(tài)復(fù)合平板法，其特征在于將待測(cè)涂料涂敷在導(dǎo)熱系數(shù)大于20W/m2K、厚4-10mm的金屬基板上，測(cè)出涂層的厚度δ，維持基板底部和涂層上表面處于不同的穩(wěn)定溫度，使用熱流片測(cè)量通過(guò)涂層和基板的熱流密度qx″，測(cè)出基板底部和涂層上表面之間的溫差ΔT，代入公式qx′′=λΔTδ]]>就可計(jì)算出涂層在相應(yīng)溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)λ。
本發(fā)明的涂層導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于在由基板(1)和涂層(2)組成復(fù)合板的上下表面的中心各布置一根T型熱電偶(3)和(4)，緊貼復(fù)合板的底部安裝低溫恒溫水套(8)，在兩者之間填充導(dǎo)熱硅脂；在復(fù)合板上部放置熱流計(jì)探頭(6)，兩者之間填充導(dǎo)熱硅脂；將高溫恒溫水套(7)用導(dǎo)熱硅脂緊貼在熱流計(jì)探頭(6)上；將以上構(gòu)成的系統(tǒng)的周邊及上下表面用海綿(9)隔熱；把熱電偶(3)和(4)及熱流計(jì)(6)的數(shù)據(jù)輸出線連接到惠普數(shù)據(jù)采集儀(5)，再把惠普采集儀(5)與計(jì)算機(jī)(10)連接；所述基板(1)采用導(dǎo)熱系數(shù)大于20W/m2K的、厚4-10mm的包括紫銅、鋁、鋼在內(nèi)的金屬或合金。
所述涂層的厚度δ通?？刹捎寐菪郎y(cè)微器來(lái)測(cè)量，也可采用厚度千分尺或游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量。
所述基板底部和涂層上表面之間的溫差ΔT通?？刹捎脽犭娕紒?lái)測(cè)量，也可采用熱敏電阻溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。
所述金屬基板不宜過(guò)薄 否則會(huì)影響底面溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，也不宜過(guò)厚 否則所用計(jì)算公式假設(shè)的一維傳熱條件難以維持。
發(fā)明涂層導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法基于以下原理復(fù)合平板由基板A和涂層B組成，基板的導(dǎo)熱系數(shù)λA已知，涂層的導(dǎo)熱系數(shù)λB待測(cè)。設(shè)基板和涂層的厚度分別為dA和dB，它們上下表面的溫差分別為ΔTA和ΔTB；則復(fù)合平板的厚度d＝dA+dB，上下表面的溫差為ΔT＝ΔTA+ΔTB，有效導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為λ；熱流密度qx″垂直于復(fù)合平板，由式(2)有qx′′=λΔTd---(3)]]>對(duì)于基板和涂層，分別有qx′′=λAΔTAdA---(4)]]>和qx′′=λBΔTBdB---(5)]]>
將式(4)和式(5)改寫(xiě)為ΔTA=dAλAqx′′---(6)]]>ΔTB=dBλBqx′′---(7)]]>將式(6)和式(7)相加，得ΔT=ΔTA+ΔTB=(dA/λA+dB/λB)qx′′---(8)]]>把式(8)代入式(3)，得qx′′=λ(dA/λA+dB/λB)qx′′d---(9)]]>整理得λB=dB(dA+dB)λ-dAλA=f(dA,dB,λ,λA)---(10)]]>則由誤差傳遞公式可得λB的最大絕對(duì)誤差為ΔλB=|∂f∂dA|ΔdA+|∂f∂dB|ΔdB+|∂f∂λB|ΔλA+|∂f∂λB|ΔλB---(11)]]>將式(10)代入式(11)，整理后可得λB的最大相對(duì)誤差為δ=ΔλBλB=dAλ-dAλAdA+dBλ-dAλA(ΔdAdA+ΔdBdB)+dA+dBdA+dBλ-dAλA(ΔλdAλ2+ΔλAλA2)---(12)]]>如果λA＞＞λB，式(10)可變?yōu)?amp;lambda;B≈dB(dA+dB)/λ=db(dA+dB)/[qx′′(dA+dB)/ΔT]=qx′′dBΔT---(13)]]>由式(13)可知只要測(cè)得qx″、d2和復(fù)合平板的上下表面溫度，就可以直接測(cè)得涂層的導(dǎo)熱系數(shù)。計(jì)算分析表明，只要基板材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于20W/m2K，涂層導(dǎo)熱系數(shù)的誤差可控制在10％以內(nèi)。
與現(xiàn)有測(cè)量方法相比較，本發(fā)明由于采用了由一層導(dǎo)熱系數(shù)大于20W/m2K、厚4-10mm的金屬基板的已知的基板和另一層導(dǎo)熱系數(shù)未知的涂層組成的復(fù)合板作為測(cè)量對(duì)象，涂層導(dǎo)熱系數(shù)的誤差可控制在10％以內(nèi)，解決了現(xiàn)有穩(wěn)態(tài)平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置無(wú)法測(cè)量涂層這類厚度在0.5-2mm之間的薄試樣的導(dǎo)熱系數(shù)的問(wèn)題。本發(fā)明采用的計(jì)算公式簡(jiǎn)單，可很容易方便地編制計(jì)算程序，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算、打印、顯示測(cè)得的涂層導(dǎo)熱系數(shù)。
附圖及其說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的涂層導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法和裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖2為由基板和待測(cè)涂層組成的復(fù)合平板測(cè)量參數(shù)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1一、待測(cè)樣品待測(cè)樣品為3塊隔熱涂層與基板的復(fù)合板，編號(hào)分別為3103C-KX09、3103C-KX11、3103C-KX12，基板為紫銅板(T2)，尺寸為40mm×80mm×4mm，涂層厚度在0.9～1.5mm之間。
二、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。安裝過(guò)程如下在由基板(1)和涂層(2)組成復(fù)合板的上下表面的中心各布置一根T型熱電偶(3)和(4)，用于測(cè)量復(fù)合板上下表面的溫差ΔT；緊貼復(fù)合板的底部安裝低溫恒溫水套(8)，在兩者之間填充導(dǎo)熱硅脂以降低接觸熱阻；在復(fù)合板上部放置熱流計(jì)探頭(6)，兩者之間填充導(dǎo)熱硅脂以降低接觸熱阻；將高溫恒溫水套(7)用導(dǎo)熱硅脂緊貼在熱流計(jì)探頭(6)上；將以上步驟構(gòu)成的系統(tǒng)的周邊及上下表面用海綿(9)隔熱；把熱電偶(3)和(4)及熱流計(jì)(6)的數(shù)據(jù)輸出線連接到惠普數(shù)據(jù)采集儀(5)，再把惠普采集儀(5)與計(jì)算機(jī)(10)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和計(jì)算，并顯示、打印測(cè)得的涂層導(dǎo)熱系數(shù)。
三、操作步驟1、以螺旋測(cè)微器分別測(cè)量紫銅制成的基板1和復(fù)合板的厚度，兩者之差為涂層厚度δ；2、對(duì)熱流計(jì)6進(jìn)行標(biāo)定，得出熱流計(jì)常數(shù)C，單位為W/m2·mv，則q″＝CV，V為熱流計(jì)輸出的電勢(shì)值，單位為mv；3、按照實(shí)驗(yàn)裝置的介紹布置試驗(yàn)臺(tái)；4、調(diào)節(jié)高溫和低溫恒溫水套(7和8)的溫度T1和T2，使兩者之差處于10±1℃，等復(fù)合板上下表面溫度和熱流計(jì)輸出電勢(shì)V穩(wěn)定后，計(jì)算ΔT和qx″；5、由此，待測(cè)涂層在溫度為(T1+T2)/2時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)可用下式計(jì)算
λB=δqx′′/ΔT]]>四、測(cè)量結(jié)果表1、表2和表3給出了測(cè)量結(jié)果。
表1 第一次三種涂層各項(xiàng)參數(shù)測(cè)量結(jié)果

表2 涂層導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量結(jié)果(逐點(diǎn)結(jié)果)

表4

表5

表6

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，Δd＝0.01mm，Δq″/q″＝5％，ΔT1＝ΔT2＝0.1℃，代入誤差傳遞公式，結(jié)果列于表4。
表4 誤差分析結(jié)果

由表4可以看出，涂層Kx-09，Kx-11，Kx-12導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量的最大相對(duì)誤差均不超過(guò)10％，符合測(cè)量要求。
綜上可知，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確，誤差達(dá)到測(cè)量要求，所得數(shù)據(jù)可信度較強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量涂層導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)態(tài)復(fù)合平板法，其特征在于將待測(cè)涂料涂敷在導(dǎo)熱系數(shù)大于20W/m2K、厚4-10mm的金屬基板上，測(cè)出涂層的厚度δ，維持基板底部和涂層上表面處于不同的穩(wěn)定溫度，使用熱流片測(cè)量通過(guò)涂層和基板的熱流密度q″x，測(cè)出基板底部和涂層上表面之間的溫差ΔT，代入公式qx′′=λΔTδ]]>就可計(jì)算出涂層在相應(yīng)溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)λ。
2.一種涂層導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于在由基板(1)和涂層(2)組成復(fù)合板的上下表面的中心各布置一根T型熱電偶(3)和(4)，緊貼復(fù)合板的底部安裝低溫恒溫水套(8)，在兩者之間填充導(dǎo)熱硅脂；在復(fù)合板上部放置熱流計(jì)探頭(6)，兩者之間填充導(dǎo)熱硅脂；將高溫恒溫水套(7)用導(dǎo)熱硅脂緊貼在熱流計(jì)探頭(6)上；將系統(tǒng)的周邊及上下表面用海綿(9)隔熱；把熱電偶(3)和(4)及熱流計(jì)(6)的數(shù)據(jù)輸出線連接到惠普數(shù)據(jù)采集儀(5)，再把惠普采集儀(5)與計(jì)算機(jī)(10)連接；所述基板(1)采用導(dǎo)熱系數(shù)大于20W/m2K的、厚4-10mm的包括紫銅、鋁、鋼在內(nèi)的金屬或合金。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種測(cè)量涂層導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)態(tài)復(fù)合平板法及其測(cè)量裝置，特征是將待測(cè)涂料涂敷在導(dǎo)熱系數(shù)大于20W/m
文檔編號(hào)G01N25/18GK1677101SQ20041001454
公開(kāi)日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2004年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月2日
發(fā)明者葉宏, 黃長(zhǎng)庚, 蔣曉軍, 楊泰蓉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 中國(guó)人民解放軍總裝備部工程兵科研一所