專利名稱：一種固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及一種導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，特別涉及測量具有不良導(dǎo)熱系數(shù)的固體 材料的導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置。
背景技術(shù)：
材料的導(dǎo)熱系數(shù)是研究材料物理性能的一個重要參數(shù)指標(biāo)，在科研，教學(xué)，生產(chǎn)等 部門都要求對材料的導(dǎo)熱系數(shù)進行預(yù)測或?qū)崪y。導(dǎo)熱系數(shù)是反映材料導(dǎo)熱性能的物理量， 它不僅是評價材料的熱學(xué)性的依據(jù)，而且是材料在應(yīng)用時的一個設(shè)計依據(jù)，所以在科學(xué)實 驗和工程技術(shù)中對材料的導(dǎo)熱系數(shù)的測定成為開發(fā)新材料的關(guān)鍵。目前測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)主要有以下三種方法
一、激光閃射法。該方法采用的是瞬態(tài)法，原理是一束激光打在樣品上表面，用紅 外檢測器測試下表面的溫度變化，實際測得的數(shù)據(jù)是樣品的熱擴散率，通過與標(biāo)準(zhǔn)樣品的 比較同時得到樣品的密度和比熱，通過公式可計算得到樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。該方法優(yōu)點是測 量快速，采用非接觸法，適合高溫，高導(dǎo)熱的樣品，但不適合多層結(jié)構(gòu)、涂層、泡沫、液體、各 向異性材料等。原因是激光法測試的是熱擴散率，數(shù)學(xué)模式建立在各向同性材料的基礎(chǔ)上。 另外，還需要用其他方法測得密度，才能折算為導(dǎo)熱系數(shù)，增加了誤差的來源。關(guān)于此方法 有關(guān)專利或文獻是這樣介紹的，如“用激光脈沖法測量石墨材料的導(dǎo)熱系數(shù)”，(楊洪利，甘 肅冶金，1998年1期第39-44頁)，論述了通過用激光脈沖法測石墨材料導(dǎo)熱系數(shù)，并對激光 脈沖法測石墨材料導(dǎo)熱系數(shù)儀器設(shè)備進行了調(diào)試和實測數(shù)據(jù)分析。二、導(dǎo)熱系數(shù)法(Hot Disk (TPS技術(shù)))該方法采用的同樣是瞬態(tài)法，原理是利用 熱阻性材料——鎳做成一個平面的探頭，同時作為熱源和溫度傳感器。鎳的熱阻系數(shù)與溫 度和電阻的關(guān)系呈線性關(guān)系，即通過了解電阻的變化可以知道熱量的損失，從而反映樣品 的導(dǎo)熱性能。通過記錄溫度與探頭的響應(yīng)時間，材料的這些特性可以被計算出來。由數(shù)學(xué) 模型可以直接得到導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)，兩者的比值得到體積比熱。優(yōu)點是快速，便捷， 無須特別的樣品制備，可用于原位/單面測試，適用于固體、粉末、液體、涂層、蜂窩材料等 多種類型的樣品，但受探頭表面涂層的限制，溫度范圍只能到700° C，且探頭成本較高，設(shè) 計復(fù)雜，不能有效推廣。關(guān)于此方法有關(guān)專利或文獻是這樣介紹的“智能式熱線導(dǎo)熱系數(shù) 測量儀” 1988年7月27日公告的中國專利第87213622號，根據(jù)熱線法測定材料導(dǎo)熱系數(shù) 的方法是將一根由鎳鉻構(gòu)成的熱阻絲，設(shè)置在被測試的材料內(nèi)，然后通電加熱，通過焊在被 測試材料內(nèi)的熱阻絲上的熱電偶取出被測試材料的溫度信號，然后輸入給信號處理，最終 測得材料的導(dǎo)熱系數(shù)。三、溫度梯度法。該方法是將待測樣品置于一熱源與一低溫制冷裝置之間，測量其 間形成的溫度梯度，從而計算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)。理想狀態(tài)下，熱源的所有熱量通過待測樣品傳遞至低溫制冷端，但實際上會不可 避免的有一部分熱量從其它方向散出，從而導(dǎo)致測量誤差，降低測量的準(zhǔn)確度。因此，此種 方法的測量精度主要取決于如何降低熱量在傳遞過程中從其它方向散出，一般會使用絕熱材料做為絕熱層用以將熱源與外界隔絕，盡量減少熱量的損失，但是仍會有部分熱量向外 傳導(dǎo)。關(guān)于此方法有關(guān)專利或文獻是這樣介紹的“測量導(dǎo)熱系數(shù)的裝置”，2005年8月24 日公告的中國專利申請?zhí)?00410015458.0，依據(jù)溫度梯度原理，利用抽真空系統(tǒng)將內(nèi)部氣 體排出，又利用碳納米管徑向不導(dǎo)熱的特性，使得熱量只能向預(yù)定方向傳遞。又如“一種良 導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測量儀”2008年6月11日公告的中國專利號200720063809. 4，其裝置是將待 測材料的熱端裝有加熱器，冷端緊貼冷卻裝置，可用設(shè)定調(diào)節(jié)旋鈕用以控制熱源或冷端溫 度。鑒于此，本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計一種新的固體材料導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置， 克服上述方法中誤差大、操作復(fù)雜、準(zhǔn)確度低以及成本高等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種易操作、低成本、穩(wěn)定性好，絕熱性優(yōu)良，可準(zhǔn)確測量固 體或膠狀樣品的固體材料導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置，用于對固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)進行精確測量。本發(fā)明提供一種固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其中包括密閉的真空腔，真空腔 通過抽氣管與外部抽真空裝置相連；設(shè)置在真空腔內(nèi)的加熱源；分別緊貼所述加熱源兩側(cè) 的第一金屬塊和第二金屬塊；第三金屬塊和第四金屬塊，所述第一金屬塊與第三金屬塊之 間形成一置物空間，所述第二金屬塊與第四金屬塊之間形成另一置物空間，置物空間用來 放置待測量固體材料；設(shè)置在第三塊金屬塊和第四塊金屬塊外側(cè)的冷卻裝置；溫度測量 器，所述溫度測量器設(shè)置在各金屬塊上，用來測量金屬塊的溫度。本發(fā)明提供一種固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，真空腔側(cè)面設(shè)置有開口，待測量 固體材料通過開口被放置到置物空間內(nèi)，開口由側(cè)蓋封閉。本發(fā)明提供一種固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，溫度測量器通過輸出導(dǎo)線，與真 空腔外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。本發(fā)明提供一種固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，加熱源是電加熱源，進一步包括: 云母板或云母片及纏繞在其上的電阻發(fā)熱絲，以及作為支架保護外殼的金屬板；加熱源以 云母板或云母片為骨架和絕緣層，金屬板為鍍鋅板或不銹鋼板，所述金屬板為板狀、片狀、 圓柱狀、圓錐狀、筒狀、圓圈狀。本發(fā)明提供一種固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其中金屬塊的表面被拋光。本發(fā)明提供一種固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其中金屬塊的表面涂覆有防輻射涂層。本發(fā)明提供一種固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，用絕熱材料制造的固定裝置，將 熱源、銅塊、冷卻裝置緊固在真空腔內(nèi)，絕熱材料為復(fù)合硅酸鋁鎂化合物，陶瓷或氣凝膠材 料。本發(fā)明提供一種固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，冷卻裝置為半導(dǎo)體制冷裝置、風(fēng) 扇或水循環(huán)制冷裝置中的一種或幾種。本發(fā)明提供一種固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，各金屬塊具有相同的橫截面積。本發(fā)明提供一種固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，溫度測量器為熱電隅或數(shù)字式溫 度傳感器。本發(fā)明的裝置以熱源為中心，呈上下完全對稱型設(shè)計，使熱量可以均衡的向帶有冷卻裝置的兩端垂直擴散。從而可避免從單邊或四周擴散，且更精確的獲得測量值。又因 該裝置放置在真空系統(tǒng)內(nèi)，利用抽真空系統(tǒng)將內(nèi)部氣體排出，可排除氣體的不良影響，可提 高最終測量精度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有操作方便，成本低的優(yōu)點，穩(wěn)定性好，絕熱性優(yōu)良，測 試速度快，測量的導(dǎo)熱系數(shù)范圍廣，可適用于固體或膠狀樣品的導(dǎo)熱系數(shù)的準(zhǔn)確測量。


圖1為本發(fā)明實例中固體材料導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置的立體示意圖。圖2為本發(fā)明實例中固體材料導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實例中固體材料導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置的金屬塊立體示意圖。圖4為本發(fā)明實例中固體材料導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置的冷卻裝置立體示意圖。圖5為本發(fā)明實例中固體材料導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置的加熱片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明實例中固體材料導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置的測量系統(tǒng)示意圖。圖7為實例中固體材料導(dǎo)熱系數(shù)測試儀的試樣測試數(shù)據(jù)曲線圖。
具體實施例方式以下結(jié)合說明書附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明
請參閱圖1，即本發(fā)明實例中固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置的立體示意圖。該裝 置包括，真空腔1，真空腔1為一圓柱形密封容器，其具有一可封閉真空腔1上開口 A (參閱 圖2)的側(cè)蓋2，該側(cè)蓋2可打開或閉合，以便于將待測樣品通過開口 A放入真空腔1或從真 空腔1中取出。另外，一抽氣管3的一端延伸至真空腔1的內(nèi)部空間，另一端與抽真空裝置 (圖未示)相連?？蓪⒄婵涨?內(nèi)抽成真空，排除氣體的不良影響，使得熱量只能向預(yù)定方向 傳遞。并利用ZJ-32型超高真空規(guī)管(B-A)裸規(guī)探測真空腔1內(nèi)的真空度。請參閱圖2，是本發(fā)明實例中固體材料導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。在真 空腔體1內(nèi)，包括加熱源4，分別緊貼加熱源4兩側(cè)的第一銅塊5和第二銅塊6 ；第三銅塊7 和第四銅塊8，第一銅塊5與第三銅塊7之間形成放置待檢測樣品9的置物空間9’，第二銅 塊6與第四塊銅塊8之間形成放置另一待檢測樣品10的置物空間10’ ；在第三塊銅塊7和 第四塊銅塊8外側(cè)各設(shè)置有作為冷卻裝置的冷卻裝置11、12。在第一銅塊到第四銅塊5，6， 7，8上各設(shè)置有溫度測量器13，用來測量金屬塊的溫度。參閱圖5為本實例中固體材料導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置的加熱片的結(jié)構(gòu)示意圖。在真空 腔1中的加熱源4，是由電阻發(fā)熱絲21纏繞絕緣性能和耐高溫性能都良好的云母片22，輔 直徑為3cm的圓圈狀銅塊作支持保護。如圖5中所示，把云母片22剪成圓片，在其上繞電 阻發(fā)熱絲21，電陰發(fā)熱絲的直徑為0. 5mm。上述結(jié)構(gòu)被制成后，上下再用圓云母片22夾上， 云母片厚度為1mm，再用銅板夾上，最后用環(huán)氧樹脂固封。加熱片采用恒定的電壓或恒定 的功率。其中第一銅塊到第四銅塊5、6、7、8均以底面積直徑為3cm，高為5mm的圓柱形銅 塊。待檢測樣品9、10是底面積直徑為3cm，高為Icm的圓柱形固體材料。其中作為冷卻裝 置的半導(dǎo)體制冷裝置，其所用尺寸規(guī)格為長3 cmX寬3 cmX高1 cm的長方體。參閱圖3為本實例中固體材料導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置的銅塊立體示意圖。圖3中的銅塊為第一銅塊到第四銅塊中的一塊，其側(cè)表面14上涂覆有防輻射涂層，可減少因熱輻射 造成的熱量損失。銅塊的上、下表面15、16經(jīng)過拋光技術(shù)處理，使得銅塊的上、下表面15、16 更加光滑，在與其它組件接觸時更緊密，減小界面熱阻。圖4為本實例中固體材料導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置的冷卻裝置的立體示意圖。冷卻裝置 11可以采用了半導(dǎo)體制冷裝置和風(fēng)扇組成簡易的散熱系統(tǒng)，半導(dǎo)體與風(fēng)扇之間用硅膠粘 結(jié)。使真空腔體內(nèi)的兩端溫度降低，且大大的減小了體積。如圖2所示，其中各組件之間是緊密貼著的，11的上表面17緊貼著真空腔體內(nèi)上 端的下表面。冷卻裝置12的下表面緊18貼著真空腔體內(nèi)下端的上表面。當(dāng)測試時，打開真空腔體1的側(cè)蓋2，將兩相同的待檢測樣品9、10通過開口 A分別 置于真空腔體1內(nèi)的第一銅塊5和第三銅塊7之間的置物空間9’和第二銅塊6和第四銅 塊8之間的置物空間10’。蓋上側(cè)蓋2，開啟抽真空裝置，通過抽氣管3將真空腔1內(nèi)的空 氣抽到IX 10_4 lX10_5pa范圍的真空度。另外，在第一銅塊到第四銅塊5、6、7、8的一側(cè)面貼近樣品處，設(shè)置溫度測量器13 的探頭，當(dāng)傳熱達到穩(wěn)定狀態(tài)，所測得的溫度分別為T1、T2、T3、T4.此時第一銅塊5和第三 銅塊7之間，第二銅塊6和第四8之間應(yīng)為等間距，且約為待測樣品厚度d。
權(quán)利要求
一種固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其中包括密閉的真空腔，所述真空腔通過抽氣管與外部抽真空裝置相連；設(shè)置在真空腔內(nèi)的加熱源；分別緊貼所述加熱源兩側(cè)的第一金屬塊和第二金屬塊；第三金屬塊和第四金屬塊，所述第一金屬塊與第三金屬塊之間形成一置物空間，所述第二金屬塊與第四金屬塊之間形成另一置物空間，所述置物空間用來放置待測量固體材料；設(shè)置在第三塊金屬塊和第四塊金屬塊外側(cè)的冷卻裝置；溫度測量器，所述溫度測量器設(shè)置在各金屬塊上，用來測量金屬塊的溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其特征在于所述真空腔側(cè)面 設(shè)置有開口，待測量固體材料通過所述開口被放置到所述置物空間內(nèi)，所述開口由側(cè)蓋封 閉。
3.如權(quán)利要求1所述的固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其特征在于，所述溫度測量器 通過輸出導(dǎo)線，與真空腔外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。
4.如權(quán)利要求1所述的固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其特征在于，所述加熱源是電 加熱源，進一步包括云母板或云母片及纏繞在其上的電阻發(fā)熱絲，以及作為支架保護外殼 的金屬板；所述加熱源以云母板或云母片為骨架和絕緣層，所述金屬板為鍍鋅板或不銹鋼 板，所述金屬板為板狀、片狀、圓柱狀、圓錐狀、筒狀、圓圈狀。
5.如權(quán)利要求1所述的固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其特征在于，其中所述金屬塊 的表面被拋光。
6.如權(quán)利要求1所述的固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其特征在于，其中所述金屬塊 的表面涂覆有防輻射涂層。
7.如權(quán)利要求1所述的固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其特征在于，用絕熱材料制造的固定裝置，將所述熱源、銅塊、冷卻裝置緊固在真空腔內(nèi)，所述絕熱 材料為復(fù)合硅酸鋁鎂化合物，陶瓷或氣凝膠材料。
8.如權(quán)利要求1所述的固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其特征在于，所述冷卻裝置為 半導(dǎo)體制冷裝置、風(fēng)扇或水循環(huán)制冷裝置中的一種或幾種。
9.如權(quán)利要求1所述的固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其特征在于，所述各金屬塊具 有相同的橫截面積。
10.如權(quán)利要求1所述的固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其特征在于，所述溫度測量器 為熱電隅或數(shù)字式溫度傳感器。
全文摘要
一種固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其中包括密閉的真空腔，真空腔通過抽氣管與外部抽真空裝置相連；設(shè)置在真空腔內(nèi)的加熱源；分別緊貼所述加熱源兩側(cè)的第一金屬塊和第二金屬塊；第三金屬塊和第四金屬塊，所述第一金屬塊與第三金屬塊之間形成一置物空間，所述第二金屬塊與第四金屬塊之間形成另一置物空間，置物空間用來放置待測量固體材料；設(shè)置在第三塊金屬塊和第四塊金屬塊外側(cè)的冷卻裝置；溫度測量器，所述溫度測量器設(shè)置在各金屬塊上，用來測量金屬塊的溫度。本發(fā)明的裝置能更精確地獲得測量值，可提高最終測量精度。
文檔編號G01N25/20GK101949873SQ20101050225
公開日2011年1月19日 申請日期2010年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月11日
發(fā)明者孫卓, 孫新形, 張明昌, 潘麗坤, 郭平生, 陳曉紅 申請人:華東師范大學(xué)