1.一種多功能固體材料熱物性測(cè)試裝置,其特征是,包括通過壓緊裝置相連的熱端壓緊板及冷端壓緊板,所述熱端壓緊板的熱端壓緊板與熱端密封板接觸,所述熱端密封板通過彈性模塊與發(fā)熱片相連,所述發(fā)熱片固定在熱端基座上;
所述冷端壓緊板與冷端保溫套接觸,所述冷端保溫套嵌入冷板,所述冷板與冷端基座接觸,所述冷端基座與熱端基座之間用于放置待測(cè)試的熱物性測(cè)試樣品;
所述熱端密封板與冷端基座之間設(shè)置有密封管,所述壓緊裝置通過熱端壓緊板及冷端壓緊板產(chǎn)生壓緊力,擠壓密封管對(duì)應(yīng)的密封環(huán),形成由熱端密封板、密封管和冷端基座組成的承壓密封腔體;
測(cè)溫裝置及測(cè)壓裝置分別用于測(cè)量承壓密封腔體內(nèi)待測(cè)試的熱物性測(cè)試樣品在充入或抽出氣體后氣體前后溫度及壓力,繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)固體材料熱物性的測(cè)試。
2.如權(quán)利要求1所述的一種多功能固體材料熱物性測(cè)試裝置,其特征是,
所述熱端壓緊板下平面與熱端密封板上平面接觸,密封管上端插入熱端密封板下平面密封槽,密封槽頂部與密封管上端之間填充有密封環(huán);
所述密封管下端插入冷端基座的冷端均溫段上平面的密封槽內(nèi),密封槽底部與密封管下端之間填充有密封環(huán)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種多功能固體材料熱物性測(cè)試裝置,其特征是,所述熱端密封板側(cè)壁開孔,連通所述熱端密封板側(cè)壁與下壁面,所述熱端密封板側(cè)壁開孔,用于連接電源線引出模塊、測(cè)溫線引出模塊、測(cè)壓裝置、真空閥和進(jìn)氣閥;
或
所述熱端密封板側(cè)壁開孔,開一個(gè)孔通過三通擴(kuò)展接口或連續(xù)開多個(gè)孔,互相獨(dú)立。
4.如權(quán)利要求3所述的一種多功能固體材料熱物性測(cè)試裝置,其特征是,
所述熱端密封板下平面中心位置與彈性模塊上面接觸,彈性模塊下平面與發(fā)熱片上平面接觸,發(fā)熱片電源線通過熱端密封板側(cè)壁的電源線引出模塊導(dǎo)出到外界。
5.如權(quán)利要求1所述的一種多功能固體材料熱物性測(cè)試裝置,其特征是,
所述熱端基座為上粗下細(xì)的T型結(jié)構(gòu)體,上部為熱端均溫段,下部為熱端測(cè)溫段;
或
所述冷端基座為上細(xì)下粗的倒T型結(jié)構(gòu)體,上部圓柱為冷端測(cè)溫段,下部圓柱為冷端均溫段,冷端測(cè)溫段軸向布置至少有2個(gè)溫度傳感器;溫度傳感器引線束從熱端保溫套小孔穿過,經(jīng)測(cè)溫線引出模塊導(dǎo)出到外界;
或
所述熱端測(cè)溫段、冷端測(cè)溫段和熱物性測(cè)試樣品同軸且外徑相等,熱物性測(cè)試樣品夾持在熱端基座測(cè)溫段下平面和冷端基座測(cè)溫段上平面之間,通過彈性模塊形變提供夾持壓力。
6.如權(quán)利要求2所述的一種多功能固體材料熱物性測(cè)試裝置,其特征是,所述發(fā)熱片下平面固定在熱端均溫段上平面,所述熱端保溫套包裹在熱端均溫段和發(fā)熱片外面,所述熱端測(cè)溫段軸向布置至少有2個(gè)溫度傳感器;
或
所述熱端保溫套側(cè)壁面與密封管內(nèi)壁面相匹配,熱端保溫套、熱端基座和密封管三者的中心軸與冷端測(cè)溫段及熱端測(cè)溫段中心軸是重合的,所述熱端保溫套有上下方向的通孔;
或
所述冷板上平面與冷端基座下平面接觸,冷板側(cè)壁設(shè)置有恒溫冷卻流體進(jìn)出口;冷端基座側(cè)壁、冷板側(cè)壁和下壁面嵌入冷端保溫套;冷端保溫套下平面與冷端壓緊板上平面接觸。
7.如權(quán)利要求2所述的一種多功能固體材料熱物性測(cè)試裝置,其特征是,
所述密封管材質(zhì)為金屬、陶瓷、承壓復(fù)合材料和玻璃中至少一種;密封管可以采用真空雙層結(jié)構(gòu),密封管內(nèi)壁可以鍍上紅外線反射膜;
或
密封管采用有高紅外透過率材質(zhì)的陶瓷或玻璃材料時(shí),測(cè)溫線引出模塊可以去掉,采用紅外非接觸測(cè)溫方式,在承壓密封腔體外側(cè),對(duì)熱端基座和冷端基座的測(cè)溫段進(jìn)行軸向測(cè)溫,采集所需溫度數(shù)據(jù);
或
所述發(fā)熱片下表面與熱端基座上表面之間、熱端測(cè)溫段下表面與熱物性測(cè)試樣品上表面之間、熱物性測(cè)試樣品下表面與冷端測(cè)溫段上表面之間、冷端基座下表面與冷板上表面之間填充導(dǎo)熱膠體。
8.如權(quán)利要求5所述的一種多功能固體材料熱物性測(cè)試裝置,其特征是,所述熱端壓緊板和熱端密封板為一體式結(jié)構(gòu)或分體式結(jié)構(gòu),冷端基座和冷板為一體式結(jié)構(gòu)或分體式結(jié)構(gòu);冷端基座的均溫段和測(cè)溫段為一體式結(jié)構(gòu)或分體式結(jié)構(gòu),熱端基座的均溫段和測(cè)溫段為一體式結(jié)構(gòu)或分體式結(jié)構(gòu);所述密封管包括若干段組成,段與段之間增加密封環(huán)實(shí)現(xiàn)密封;
或
所述測(cè)溫線引出模塊可以有兩個(gè),一個(gè)在熱端密封板側(cè)壁,引出熱端基座溫度傳感器上測(cè)溫線束,另一個(gè)在冷端基座側(cè)壁,引出冷端基座溫度傳感器上測(cè)溫線束,這樣更加便于拆卸,但是容易導(dǎo)致冷端基座均溫段溫度分布不均勻。
9.基于權(quán)利要求1-8任一所述的一種多功能固體材料熱物性測(cè)試裝置的方法,當(dāng)冷端和熱端測(cè)溫區(qū)側(cè)壁面輻射及對(duì)流換熱可以忽略時(shí),其特征是,包括以下步驟:
(1)待整個(gè)測(cè)試裝置溫度為常溫時(shí),加熱片恒定功率加熱,冷板通入恒溫流體,同時(shí)記錄測(cè)溫點(diǎn)溫度的瞬時(shí)值,直至溫度點(diǎn)基本不再發(fā)生變化為止,所有測(cè)溫點(diǎn)采集隨時(shí)間變化采集的溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)視為動(dòng)態(tài)溫度,最后采集的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)視為穩(wěn)態(tài)溫度;
(2)考慮測(cè)溫區(qū)輻射及對(duì)流損失可以忽略,考慮測(cè)溫區(qū)徑向溫差極小,測(cè)溫區(qū)導(dǎo)熱系數(shù)為定值,通過熱端測(cè)溫區(qū)和冷端測(cè)溫區(qū)的熱流量?jī)H沿著軸向方向傳遞,通過樣品的熱流量為通過熱端測(cè)溫區(qū)和冷端測(cè)溫區(qū)的熱流量之和的一半;
根據(jù)樣品上、下表面的溫度以及通過樣品的熱流量計(jì)算樣品熱阻,最終獲得樣品導(dǎo)熱系數(shù);
(3)最上端到最下端測(cè)溫點(diǎn)之間部分建立一維動(dòng)態(tài)導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型;
(4)基于有限元、有限體積或有限差分方法對(duì)數(shù)學(xué)模型的軸向位置x和時(shí)間t離散,形成一組代數(shù)方程,已知測(cè)試點(diǎn)的動(dòng)態(tài)溫度、熱物性測(cè)試樣品的密度以及各部分導(dǎo)熱系數(shù),因此該代數(shù)方程為正定或超定代數(shù)方程組,通過最優(yōu)化算法即可獲得熱物性測(cè)試樣品比熱容;
(5)熱端和冷端基座的測(cè)溫區(qū)布置的測(cè)溫點(diǎn)大于兩個(gè)時(shí),使得導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的求解數(shù)學(xué)模型均變?yōu)槌ù鷶?shù)方程組,通過最優(yōu)化算法求解兩者的最小二乘解。
10.基于權(quán)利要求1-8任一所述的一種多功能固體材料熱物性測(cè)試裝置的方法,當(dāng)冷端和熱端測(cè)溫區(qū)側(cè)壁面輻射及對(duì)流換熱不可以忽略時(shí),其特征是,包括以下步驟:
(1)熱端和冷端基座的測(cè)溫區(qū)軸向分別布置測(cè)溫點(diǎn),同時(shí)布置密封腔體內(nèi)部氣體溫度測(cè)溫點(diǎn)和環(huán)境溫度測(cè)溫點(diǎn),若密封管不能透過紅外線,則布置密封管內(nèi)壁測(cè)溫點(diǎn)取代環(huán)境溫度測(cè)溫點(diǎn),待整個(gè)測(cè)試裝置溫度為常溫時(shí),加熱片恒定功率加熱,冷板通入恒溫流體,同時(shí)記錄溫度點(diǎn)的瞬時(shí)值,直至溫度點(diǎn)基本不在發(fā)現(xiàn)變化為止,所有測(cè)溫點(diǎn)采集隨時(shí)間變化采集的溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)視為動(dòng)態(tài)溫度,最后采集的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)視為穩(wěn)態(tài)溫度;
(2)分別對(duì)熱端和冷端基座的測(cè)溫區(qū)的最上端到最下端測(cè)溫點(diǎn)之間部分建立一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型;
(3)通過最優(yōu)化算法即可獲得系統(tǒng)輻射系數(shù)和對(duì)流換熱系數(shù);
(4)分別對(duì)熱端基座最上測(cè)溫點(diǎn)到下平面區(qū)域和冷端上平面到最下測(cè)溫點(diǎn)區(qū)域的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程求數(shù)值解,獲得熱端基座下平面和冷端基座上平面的溫度以及熱流密度,根據(jù)熱物性測(cè)試樣品的實(shí)際厚度,即可獲得測(cè)試樣品的導(dǎo)熱系數(shù);
(5)最上端到最下端測(cè)溫點(diǎn)之間部分建立一維動(dòng)態(tài)導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型;
(6)通過最優(yōu)化算法即可獲得熱物性測(cè)試樣品比熱容;
(7)熱端和冷端基座的測(cè)溫區(qū)布置的測(cè)溫點(diǎn)多于三個(gè)時(shí),使得導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的求解數(shù)學(xué)模型均變?yōu)槌ù鷶?shù)方程組,通過最優(yōu)化算法求解兩者的最小二乘解。