專利名稱：一種導(dǎo)熱系數(shù)及接觸熱阻測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測定導(dǎo)熱系數(shù)和接觸熱阻領(lǐng)域，具體涉及一種可用于準(zhǔn)確測定材料導(dǎo)熱系數(shù)及接觸熱阻的裝置。
背景技術(shù)：
導(dǎo)熱系數(shù)的測定大致可分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。所謂穩(wěn)態(tài)法，就是對待測物質(zhì)一個恒定的溫度差，然后再測量在給定溫差下形成的熱流，通過傅里葉導(dǎo)熱定律即可求得物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；所謂非穩(wěn)態(tài)法，一般采用一個瞬態(tài)的熱源進(jìn)行加熱，然后測量待定物質(zhì)的動態(tài)溫度響應(yīng)，通過分析溫度變化速率與導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系從而求得該物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。對于固態(tài)物質(zhì)的非穩(wěn)態(tài)測定方法，熱線法一般用于對液態(tài)物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的測定，一維熱傳導(dǎo)反問題參數(shù)辨識法通常只能在非常簡單的邊界條件下才能獲得解析解，所以通常需采用離散化的數(shù)值方法求解，而對于一維溫度差的測量，需要保證對溫度的測量準(zhǔn)確度和響應(yīng) 時間以及材料的物性等參數(shù)的測量要求較高，難以保證對物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)測量準(zhǔn)確度。通常穩(wěn)態(tài)法測定導(dǎo)熱系數(shù)為了形成一個恒定可測量的溫度差，需要加熱較長的時間，而多個溫度測量傳感器與試件之間不可避免的存在各異的接觸熱阻，也就是試件的實際測量點的溫度與測量值必然不一致，對于這一問題穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法都沒有很好的解決，從而影響對導(dǎo)熱系數(shù)的測量精度。接觸熱阻是一個受材料物性、機(jī)械特性、表面形貌、接觸壓力、溫度、間隙材料等眾多因素影響的參數(shù)。根據(jù)實驗熱流是否穩(wěn)定，一般把接觸熱阻測量方法分為瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法。瞬態(tài)法也是一種常用的接觸熱阻實驗測量方法，其主要包括激光光熱測量法、熱成像法、“ flash”閃光法、激光光聲法等，其中激光光熱測量法又包含調(diào)制光熱法和熱掃描法，調(diào)制光熱法又有光熱幅值法、光熱相位法和脈沖法之分。雖然各種瞬態(tài)法雖宜于快速測量且可測量小到納米數(shù)量級的薄膜，但其測量過程易受各種因素影響，且公式推導(dǎo)相對復(fù)雜，測量精度也較難保證。因此，界面接觸熱阻測量方法最常用的是穩(wěn)態(tài)法在兩接觸樣品上維持一定的溫差，測量兩樣品軸向上的溫度值，再由傅里葉定律外推至接觸界面處從而得到界面上的溫差；熱流量可由熱流量計測量或由樣品材料的熱導(dǎo)率和溫度梯度計算得到，從而R = |T1-T2|/Q。穩(wěn)態(tài)接觸熱阻測試方法多是和美國國家標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5470-06的測試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備相類似，但多有文獻(xiàn)指出由于溫度測量的不確定性誤差和熱損失誤差很難保證對界面接觸熱阻有足夠高的測量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可用于準(zhǔn)確測定材料導(dǎo)熱系數(shù)及接觸熱阻的裝置，實現(xiàn)準(zhǔn)確測定材料的導(dǎo)熱系數(shù)及接觸熱阻。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種導(dǎo)熱系數(shù)及接觸熱阻測試裝置，包括控制系統(tǒng)、支架、第一滾珠套筒、第二滾珠套筒、滑動螺桿、定向鋼球和壓力傳感器、輔助加熱器、溫度傳感器、真空罩、試件測試區(qū)、應(yīng)力加載裝置、真空抽放氣口、進(jìn)出水口、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、密封底盤，支撐板，水平調(diào)節(jié)桿，加熱絲；其特征在于應(yīng)力加載裝置由液壓缸和壓力動力源組成，液壓缸位于壓力動力源的上方；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫度傳感器、密封數(shù)據(jù)接頭組成，溫度傳感器通過導(dǎo)線與密封數(shù)據(jù)接頭相連；控制系統(tǒng)由可控溫防輻射屏、加熱制冷套和控制防輻射屏加熱絲組成；試樣測試區(qū)包括測試試件，其中定向鋼球和壓力傳感器、支架、支撐板和加熱制冷套上下對稱，定向鋼球和壓力傳感器固定在支撐板中心位置，應(yīng)力加載裝置通過支架定位并和定向鋼球以及壓力傳感器接觸，為試樣加載應(yīng)力，第一滾珠套筒設(shè)置在滑動螺桿的上下兩端與支撐板固定，第二滾珠套筒設(shè)置在滑動螺桿的底部并與支架固定，輔助加熱器位于支撐板和加熱制冷套之間，試樣測試區(qū)位于上下對稱的兩個加熱制冷套之間，兩個可控溫防輻射屏位于試樣測試區(qū)的外部，真空罩位于整個裝置的外部固定于密封底盤上，滑動螺桿固定于密封底盤的上部，真空抽放氣口、進(jìn)出水口和密封數(shù)據(jù)接頭均設(shè)置在密封底盤上，液壓缸貫穿密封底盤的中心，密封底盤上設(shè)置有四組水平調(diào)節(jié)桿。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點通過上下對稱布置的制冷加熱套采用正反雙向熱流測試或恒溫溫度修正來消除由于溫度測量造成的不確定性誤差，從而提高測試精度。通過在縱軸方向布置輔助加熱器來減小軸向的熱損失，通過在測試區(qū)周圍布置可控溫 防輻射屏模擬測試區(qū)的溫度梯度來減小橫截面方向的熱損失，從而提高測試精度。


圖I為本發(fā)明一種測試裝置的主視圖。圖2為本發(fā)明的可控溫防輻射屏2的截面圖。圖3為本發(fā)明的試件測試區(qū)10的示意圖。圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)控制原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。結(jié)合圖I、圖2和圖3，一種導(dǎo)熱系數(shù)及接觸熱阻測試裝置，包括控制系統(tǒng)、支架3、第一滾珠套筒4-1、第二滾珠套筒4-2、滑動螺桿5、定向鋼球和壓力傳感器6、輔助加熱器7、第一溫度傳感器8-1、第一溫度傳感器8-2、真空罩9、試件測試區(qū)10、應(yīng)力加載裝置、真空抽放氣口 13、進(jìn)出水口 14、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、密封底盤16，支撐板17，水平調(diào)節(jié)桿20、加熱絲21。應(yīng)力加載裝置由液壓缸11和壓力動力源12組成，液壓缸11位于壓力動力源12的上方；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由第一溫度傳感器8-1、密封數(shù)據(jù)接頭15組成，第一溫度傳感器8-1通過導(dǎo)線與密封數(shù)據(jù)接頭15相連；控制系統(tǒng)由可控溫防輻射屏2、加熱制冷套I和控制防輻射屏加熱絲R2組成；試樣測試區(qū)10由測試試件23和熱流量計22 (根據(jù)需要采用)組成，其中熱流量計22、定向鋼球和壓力傳感器6、支架3、支撐板17和加熱制冷套I上下對稱，定向鋼球和壓力傳感器6固定在支撐板17中心位置，應(yīng)力加載裝置通過支架3定位并和定向鋼球以及壓力傳感器6接觸，為試樣加載應(yīng)力，第一滾珠套筒4-1設(shè)置在滑動螺桿5的上下兩端與支撐板17固定，第二滾珠套筒4-2設(shè)置在滑動螺桿5的底部并與支架3固定，輔助加熱器7位于支撐板17和加熱制冷套I之間，試樣測試區(qū)10位于上下對稱的兩個加熱制冷套I之間，兩個可控溫防輻射屏2位于試樣測試區(qū)10的外部，真空罩9位于整個裝置的外部固定于密封底盤16上,滑動螺桿5固定于密封底盤16的上部,真空抽放氣口 13、進(jìn)出水口 14和密封數(shù)據(jù)接頭15均設(shè)置在密封底盤16上，液壓缸11貫穿密封底盤16的中心，密封底盤上設(shè)置有四組水平調(diào)節(jié)桿20?？煽販胤垒椛淦?內(nèi)嵌有至少3組加熱絲21和至少3組第二溫度傳感器8-2。真空罩9是為了輔助系統(tǒng)做絕熱處理，減小熱流損失。結(jié)合圖3，系統(tǒng)的控制原理為可控溫防輻射屏2為一中空的圓柱狀物體，在外圓周截面上嵌有加熱絲21，內(nèi)圈在加熱絲21的相應(yīng)位置上布置有第二溫度傳感器8-2，可控溫防輻射屏2的低吸收率材料制備，表面光潔處理。結(jié)合圖3，試件測試區(qū)10由上下對稱布置的熱流量計22和待測試件23組成，熱流量計22和待測試件23上都等距插裝有第一溫度傳感器8-1，在測試導(dǎo)熱系數(shù)時放置I個待測試件23 ;測試接觸熱阻時對稱放置兩個待測試件23并以中間接觸界面為對稱面上下對稱；測試熱界面材料時在上下對稱布置的熱流量計22的接觸界面中放置熱界面材料。結(jié)合圖4，系統(tǒng)的控制原理為在放置好試件測試區(qū)10后，并包括絕熱材料后，根·據(jù)需要選擇加載壓應(yīng)力，連接好數(shù)據(jù)接線并罩好真空罩9后，通過真空抽放氣口 13給真空罩9內(nèi)部的密閉空間抽真空，待真空罩9內(nèi)部真空度達(dá)到IOPa以下，根據(jù)需要選擇上下布置的加熱制冷套I中一個進(jìn)行加載熱流量，另一個恒溫冷卻，為減小縱軸方向的熱流損失，在加載熱流量的對應(yīng)輔助加熱器7位置根據(jù)加載熱流量的加熱制冷套I的溫度控制加熱功率，以調(diào)節(jié)對應(yīng)輔助加熱器7和加熱制冷套I保持相同的溫度；為減小試樣橫截面方向的熱損失，根據(jù)試樣測試區(qū)10上下對稱布置的熱流量計22和待測試件23上的第一溫度傳感器8-1的測量溫度，控制可控溫防輻射屏2在同一橫截面方向的加熱絲21的加熱功率，以調(diào)節(jié)保持同一橫截面方向的相應(yīng)熱流量計22和待測試件23上的第一溫度傳感器8-1在相同的溫度，以此維持和熱流量計22和待測試件23的同一溫度梯度。結(jié)合圖4工作過程如下
測試導(dǎo)熱系數(shù)時，在試樣測試區(qū)10放置一個上下截面一致的圓柱狀或方形待測試件23，待測試件23上的第一溫度傳感器8-1布置位置以中間截面為對稱面上下對稱。為更精確的測量流過待測試件23的熱流量，也可在待測試件23的頂端和低端對稱布置兩個熱流量計22。再連接好第一溫度傳感器8-1的接線，在試樣測試區(qū)10周圍放置絕熱材料后，通過應(yīng)力加載裝置的液壓缸11和壓力動力源12給一小壓力以保證上下布置的加熱制冷套
I、熱流量計22和待測試件23保持良好接觸。連接好數(shù)據(jù)接線并罩好真空罩9后，通過真空抽放氣口 13給真空罩9內(nèi)部的密閉空間抽真空，待真空罩9內(nèi)部真空度達(dá)IOPa以下，根據(jù)需要選擇上下布置的加熱制冷套I中一個進(jìn)行加載熱流量，另一個恒溫冷卻，為減小縱軸方向的熱流損失，在加載熱流量的對應(yīng)輔助加熱器7位置根據(jù)加載熱流量的加熱制冷套I的溫度控制加熱功率，以調(diào)節(jié)對應(yīng)輔助加熱器7和加熱制冷套I保持相同的溫度；為減小試樣橫截面方向的熱損失，根據(jù)試樣測試區(qū)10上下對稱布置的熱流量計22和待測試件23上的第一溫度傳感器8-1的測量溫度，控制可控溫防輻射屏2在同一橫截面方向的加熱絲21的加熱功率，以調(diào)節(jié)保持同一橫截面方向的相應(yīng)熱流量計22和待測試件23上的第一溫度傳感器8-1在同一相同的溫度，以此維持和熱流量計22和待測試件23的同一溫度梯度。等各溫度測試點的測量溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)后采集各測量溫度并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。測試固體與固體之間的接觸熱阻時，在試樣測試區(qū)10放置兩個上下截面一致的圓柱狀或方形待測試件23，每個待測試件23上的第一溫度傳感器8-1布置位置以兩個待測試件23的接觸界面的截面為對稱面上下對稱。為更精確的測量流過待測試件23的熱流量，也可在待測試件23的頂端和低端對稱布置兩個熱流量計22。再連接好第一溫度傳感器8-1的接線，在試樣測試區(qū)10周圍放置絕熱材料后，通過應(yīng)力加載裝置的液壓缸11和壓力動力源12給兩個接觸的待測試件23的接觸界面保持一個恒定的給定壓力。連接好數(shù)據(jù)接線并罩好真空罩9后，通過真空抽放氣口 13給真空罩9內(nèi)部的密閉空間抽真空，待真空罩9內(nèi)部真空度達(dá)到IOPa以下，根據(jù)需要選擇上下布置的加熱制冷套I中一個進(jìn)行加載熱流量，另一個恒溫冷卻，為減小縱軸方向的熱流損失，在加載熱流量的對應(yīng)輔助加熱器7位置根據(jù)加載熱流量的加熱制冷套I的溫度控制加熱功率，以調(diào)節(jié)對應(yīng)輔助加熱器7和加熱制冷套I保持相同的溫度；根據(jù)試樣測試區(qū)10上下對稱布置的熱流量計22和待測試件23上的第一溫度傳感器8-1的測量溫度，控制可控溫防輻射屏2在同一橫截面方向的加熱絲21的加熱功率，以調(diào)節(jié)保持同一橫截面方向的相應(yīng)熱流量計22和待測試件23上的第一溫度傳感器8-1在相同的溫度，以此維持和熱流量計22和待測試件23的同一溫度梯度。等各溫度測試點的測量溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)后采集各測量溫度并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。測試熱界面材料的接觸熱阻時，在試樣測試區(qū)10放置兩個上下截面一致的圓柱狀或方形的熱流量計22，每個熱流量計22上的第一溫度傳感器8-1布置位置以兩個熱流 量計22的接觸界面的截面為對稱面上下對稱，在熱流量計22的接觸界面處放置熱界面材料。再連接好第一溫度傳感器8-1的接線，在試樣測試區(qū)10周圍放置絕熱材料后，通過應(yīng)力加載裝置的液壓缸11和壓力動力源12給熱流量計22的接觸界面保持一恒定的給定壓力。連接好數(shù)據(jù)接線并罩好真空罩9后，通過真空抽放氣口 13給真空罩9內(nèi)部的密閉空間抽真空，待真空罩9內(nèi)部真空度達(dá)到IOPa以下，根據(jù)需要選擇上下布置的加熱制冷套I中一個進(jìn)行加載熱流量，另一個恒溫冷卻，為減小縱軸方向的熱流損失，在加載熱流量的對應(yīng)輔助加熱器7位置根據(jù)加載熱流量的加熱制冷套I的溫度控制加熱功率，以調(diào)節(jié)對應(yīng)輔助加熱器7和加熱制冷套I保持相同的溫度；為減小測試區(qū)10的橫截面方向的熱損失，根據(jù)試樣測試區(qū)10上下對稱布置的熱流量計22上的第一溫度傳感器8-1的測量溫度，控制可控溫防輻射屏2在同一橫截面方向的加熱絲21的加熱功率，以調(diào)節(jié)保持同一橫截面方向的相應(yīng)熱流量計22上的第一溫度傳感器8-1在同一相同的溫度，以此維持和熱流量計22的同一溫度梯度。等各溫度測試點的測量溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)后采集各測量溫度并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為測量熱界面材料的接觸電阻，在兩個上下對稱布置的熱流量計22上的相應(yīng)位置可插裝一電極，通過一輔助電源和分流器以及電壓表監(jiān)測通過的電流量和電壓值，繼而得到熱界面材料的接觸電阻。在兩個熱流量計22的接觸界面處安裝有原位測量系統(tǒng)以用于測量熱界面材料在壓力下的變形量以及其厚度。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)熱系數(shù)及接觸熱阻測試裝置，包括控制系統(tǒng)、支架3、第一滾珠套筒4-1、第二滾珠套筒4-2、滑動螺桿5、定向鋼球和壓力傳感器6、輔助加熱器7、第一溫度傳感器8-1、第二溫度傳感器8-2、真空罩9、試件測試區(qū)10、應(yīng)力加載裝置、真空抽放氣口 13、進(jìn)出水口 14、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、密封底盤16，支撐板17，水平調(diào)節(jié)桿20和加熱絲21 ;其特征在于應(yīng)力加載裝置由液壓缸11和壓力動力源12組成，液壓缸11位于壓力動力源12的上方；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由第一溫度傳感器8-1、密封數(shù)據(jù)接頭15組成，第一溫度傳感器8-1通過導(dǎo)線與密封數(shù)據(jù)接頭15相連；控制系統(tǒng)由可控溫防輻射屏2、加熱制冷套I和控制防輻射屏加熱絲R2組成；試樣測試區(qū)10包括測試試件23，其中定向鋼球和壓力傳感器6、支架3、支撐板17和加熱制冷套I上下對稱，定向鋼球和壓力傳感器6固定在支撐板17中心位置，應(yīng)力加載裝置通過支架3定位并和定向鋼球以及壓力傳感器6接觸，為試樣加載應(yīng)力，第一滾珠套筒4-1設(shè)置在滑動螺桿5的上下兩端與支撐板17固定，第二滾珠套筒4-2設(shè)置在滑動螺桿5的底部并與支架3固定，輔助加熱器7位于支撐板17和加熱制冷套I之間，試樣測試區(qū)10位于上下對稱的兩個加熱制冷套I之間，兩個可控溫防輻射屏2位于試樣測試區(qū)10的外部，滑動螺桿5固定于密封底盤16的上部，真空抽放氣口 13、進(jìn)出水口 14和密封數(shù)據(jù)接頭15均設(shè)置在密封底盤16上，液壓缸11貫穿密封底盤16的中心，密封底盤上設(shè)置有四組水平調(diào)節(jié)桿20。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種導(dǎo)熱系數(shù)及接觸熱阻測試裝置，其特征在于可控溫防輻射屏2為一中空的圓柱狀物體，在外圓周截面上嵌有加熱絲21，內(nèi)圈在加熱絲21的相應(yīng)位置上布置有第二溫度傳感器8-2，可控溫防輻射屏2內(nèi)嵌有至少3組加熱圈和至少3組第二溫度傳感器8-2。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種導(dǎo)熱系數(shù)及接觸熱阻測試裝置，其特征在于試樣測試區(qū)10豎直軸向放置至少一個待測試件23，可根據(jù)需要放置熱流量計22，熱流量計22和試件23上都等距插裝有第一溫度傳感器8-1，熱流量計22位于待測試件23的兩端，上下對稱布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種導(dǎo)熱系數(shù)及接觸熱阻測試裝置，其特征在于試樣測試區(qū)10的試樣上溫度傳感器8探頭位置嚴(yán)格以中心位置對稱。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種導(dǎo)熱系數(shù)及接觸熱阻測試裝置，其特征在于所述的應(yīng)力加載裝置不限于采用液壓控制的方式，也可采用直線電機(jī)的壓力控制方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種導(dǎo)熱系數(shù)及接觸熱阻測試裝置，其特征在于所述的第一溫度傳感器8-1的位置在測試導(dǎo)熱系數(shù)時是以試樣長度方向上的中心截面位置為對稱面。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種導(dǎo)熱系數(shù)及接觸熱阻測試裝置，其特征在于所述的第一溫度傳感器8-1的位置在測試接觸熱阻時是以兩試樣縱軸方向上的接觸界面截面位置為對稱面，兩試樣上的測試點位置完全對稱。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種導(dǎo)熱系數(shù)及接觸熱阻測試裝置，其特征在于真空罩9位于整個裝置的外部固定于密封底盤16上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種導(dǎo)熱系數(shù)及接觸熱阻測試裝置，包括控制系統(tǒng)、支架3、第一滾珠套筒4-1、第二滾珠套筒4-2、滑動螺桿5、定向鋼球和壓力傳感器6、輔助加熱器7、第一溫度傳感器8-1、第二溫度傳感器8-2、真空罩9、試件測試區(qū)10、應(yīng)力加載裝置、真空抽放氣口13、進(jìn)出水口14、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、密封底盤16，支撐板17，水平調(diào)節(jié)桿20和加熱絲21，其中熱流量計22、定向鋼球和壓力傳感器6、支架3、支撐板17和加熱制冷套1上下對稱。本發(fā)明通過在縱軸方向布置輔助加熱器來減小軸向的熱損失，通過在測試區(qū)周圍布置可控溫防輻射屏模擬測試區(qū)的溫度梯度來減小橫截面方向的熱損失。
文檔編號G01N25/20GK102798645SQ20121027934
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月7日
發(fā)明者宣益民, 張平, 李強(qiáng), 徐德好 申請人:南京理工大學(xué)