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瞬態(tài)平面熱源法導(dǎo)熱儀

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瞬態(tài)平面熱源法導(dǎo)熱儀--變溫變真空多試樣一.簡(jiǎn)介瞬態(tài)平面熱源法作為一種的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法,在理論上可以達(dá)到很高測(cè)量精度

詳細(xì)介紹

瞬態(tài)平面熱源法導(dǎo)熱儀--變溫變真空多試樣


一. 簡(jiǎn)介

瞬態(tài)平面熱源法作為一種的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法,在理論上可以達(dá)到很高測(cè)量精度。在被測(cè)試樣尺寸和其它要素滿足測(cè)試方法規(guī)定的邊界條件時(shí),熱導(dǎo)率的測(cè)量范圍理論上可以沒(méi)有限制。因此,對(duì)于均質(zhì)材料,采用瞬態(tài)平面熱源法不失為一種操作簡(jiǎn)便和測(cè)量精度高的有效方法,在溫度不高的范圍內(nèi)(-196℃~200℃),這種方法可以作為一種標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)使用,并與其它導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法一起形成有效的補(bǔ)充和相互比對(duì),甚至可以用于校準(zhǔn)其它測(cè)試方法。

瞬態(tài)平面熱源法已具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法,即ISO 22007-2:2008  Plastics-Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity-Part 2: Transient plane heat source (Hot Disk) method。


依陽(yáng)公司生產(chǎn)的瞬態(tài)平面熱源法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng),是一種多功能測(cè)試設(shè)備,具有測(cè)試塊狀和分體材料以及薄膜材料的功能,同時(shí)還配備了真空腔裝置、循環(huán)油浴溫度控制系統(tǒng)、氣體壓強(qiáng)控制系統(tǒng)和多通道掃描開(kāi)關(guān)裝置,從而實(shí)現(xiàn)了在不同溫度和氣氛壓力下對(duì)多個(gè)試樣同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。


二. 特點(diǎn)

(1)變溫測(cè)試

采用冷熱循環(huán)油浴增壓泵流出的硅油作為加熱介質(zhì)流經(jīng)裝載有試樣的真空腔體壁,真空腔體放置在厚實(shí)的隔熱材料套中,使得被測(cè)試樣可以精確的按照循環(huán)油浴溫度進(jìn)行恒溫控制,充分利用了循環(huán)油浴±0.05℃的高精度溫度控制功能,保證了試樣溫度的均勻性和穩(wěn)定性。并且,可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制循環(huán)油浴的設(shè)定溫度來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同溫度下的試樣熱導(dǎo)率測(cè)量。試樣溫度變化范圍取決于恒溫油浴的溫度變化范圍,一般溫度變化范圍為-40℃至250℃。同時(shí)還可以配備低溫制冷機(jī)系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)溫度達(dá)到液氦溫度區(qū)間的材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試。


(2)變氣壓測(cè)試

工程材料,特別是孔隙率較大的低密度材料,它們所處的氣氛壓強(qiáng)會(huì)嚴(yán)重影響材料的熱導(dǎo)率。同時(shí),空氣中的水份也會(huì)使得材料的熱導(dǎo)率發(fā)生改變。所以,為了準(zhǔn)確測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù),所有導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法都對(duì)被測(cè)試樣的氣氛環(huán)境有嚴(yán)格規(guī)定,通常要求是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的高燥空氣環(huán)境。另外,在宇航空間用工程材料中,距離地球表面不同高度時(shí)氣氛壓強(qiáng)的不同也會(huì)導(dǎo)致材料不同的導(dǎo)熱系數(shù)。


為了規(guī)范測(cè)試氣氛環(huán)境和模擬出準(zhǔn)確的所需氣氛壓強(qiáng),導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)配備了依陽(yáng)公司獨(dú)自研發(fā)的具有人工智能的高精度氣氛壓強(qiáng)控制系統(tǒng),使得放置試樣的真空腔內(nèi)的氣壓精確恒定在所需的氣壓設(shè)定點(diǎn)上,實(shí)現(xiàn)了不同氣體成分在不同氣壓下的實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬。試樣環(huán)境氣氛可以是空氣和其他任何氣體,氣壓控制范圍為3Pa至1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,氣壓的波動(dòng)率全量程范圍內(nèi)都小于±1%。

(3)多試樣同時(shí)測(cè)量

瞬態(tài)平面熱源法作為一種非穩(wěn)態(tài)法,在理論上有很快的測(cè)試時(shí)間,但這里所謂的測(cè)試時(shí)間是指純粹的通電測(cè)試時(shí)間,并不包括達(dá)到測(cè)試模型邊界條件要求(被測(cè)試樣溫度均勻)所需要的時(shí)間。被測(cè)試樣導(dǎo)熱系數(shù)越小,試樣達(dá)到溫度均勻所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。一般規(guī)定,兩次測(cè)試的間隔時(shí)間至少是測(cè)量時(shí)間的36倍。如果測(cè)量低導(dǎo)熱材料(熱導(dǎo)率約為0.03 的隔熱材料),通常的測(cè)試時(shí)間為180秒以上,那么重復(fù)性測(cè)試的時(shí)間間隔至少要108分鐘。這就意味一個(gè)完整的測(cè)試過(guò)程至少需要近2個(gè)小時(shí),而大部分時(shí)間是在等待試樣溫度達(dá)到穩(wěn)定,這還不包括變溫過(guò)程中溫度控制時(shí)的恒溫時(shí)間。由此可見(jiàn),在測(cè)量較低熱導(dǎo)率材料過(guò)程中,整個(gè)測(cè)試過(guò)程和測(cè)試效率并不是很高,與其它穩(wěn)態(tài)法旗鼓相當(dāng)。


為了進(jìn)一步提高瞬態(tài)平面熱源法的測(cè)試效率,我們?cè)黾恿艘粋€(gè)程序控制的多通道掃描開(kāi)關(guān),即采用多探頭多試樣同時(shí)測(cè)量技術(shù),充分利用試樣溫度穩(wěn)定這段等待時(shí)間,既保證了每個(gè)獨(dú)立試樣的有效測(cè)試時(shí)間間隔,又能限度提高樣品測(cè)試數(shù)量,提高測(cè)試效率。

(4)試樣多樣化安裝

為了滿足固體、粉體和膏狀等不同形式材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量,瞬態(tài)平面熱源法熱導(dǎo)率測(cè)試系統(tǒng)配備了專門設(shè)計(jì)的試樣容器。


(5)各向異性導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量

為了適用于多層材料、纖維增強(qiáng)塑料等各向異性樣品的熱傳導(dǎo)性能的測(cè)試,瞬態(tài)平面熱源法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)配備了專門設(shè)計(jì)的測(cè)試軟件,可進(jìn)行厚度和面內(nèi)方向的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量。


(6)薄膜材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量

瞬態(tài)平面熱源法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)還可用于單層薄膜樣品如織物、高聚物薄膜、陶瓷薄膜、纖維材料、紙和陶瓷上的濺射金屬涂層等材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試。樣品厚度范圍為0.01~2 mm,導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試范圍0.005~10 W/mK


三. 技術(shù)指標(biāo)


(1)溫度變化范圍:-269℃~250℃(依據(jù)所用溫度環(huán)境裝置)。

(2)氣壓控制范圍:3Pa~個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,氣體可以是空氣、氮?dú)獾?,波?dòng)率小于±1%。

(3)通道數(shù):4線制連接,共8個(gè)通道。手動(dòng)切換和計(jì)算機(jī)程控切換,最多可同時(shí)測(cè)量8組試樣。

(4)試樣形式和尺寸:試樣尺寸為50mm×50mm×40mm。

(5)試樣形式:固體、粉體、膏狀物、薄板和薄膜等。

(6)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量范圍:0.005~500W/mK。

(7)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量精度:優(yōu)于±5%。

(8)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量重復(fù)性:優(yōu)于±7%。

(9)薄板試樣測(cè)試:薄板厚度范圍0.1~10mm,導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量范圍為10~500 W/mK。

(10)薄膜試樣測(cè)試:薄膜厚度范圍為0.01~2 mm,導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試范圍0.005~10 W/mK。


四. 應(yīng)用


(1) 瞬態(tài)平面熱源法薄板試樣測(cè)試方法

對(duì)于薄板或薄片狀材料,瞬態(tài)平面熱源法中有專門的測(cè)試模型用于導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量,所測(cè)試的導(dǎo)熱系數(shù)是試樣整體的導(dǎo)熱系數(shù),而不是面內(nèi)方向的導(dǎo)熱系數(shù)。如下圖所示,測(cè)量時(shí)先選擇兩塊厚度一致的樣品,精確測(cè)量樣品厚度后,將兩塊薄板樣品分別放置于探頭的兩邊,然后用兩塊相同材質(zhì)的絕熱隔熱材料壓緊,使探頭與樣品之間沒(méi)有空隙,以保證探頭產(chǎn)生的所有熱量均為樣品所吸收。

薄板樣品的直徑或邊長(zhǎng)一般應(yīng)大于50mm。每片樣品的厚度可以從0.2mm至8mm不等,這取決于探頭半徑。薄板試樣測(cè)試方法與塊狀試樣測(cè)試方法有些類似,主要的區(qū)別有兩點(diǎn):

被測(cè)薄板試樣的外側(cè)要用絕緣低導(dǎo)熱材料壓緊,使得試樣四周的熱損失與探測(cè)器加熱量相比非常小。

在試樣中的熱流傳遞主要在薄板試樣面內(nèi)方向上進(jìn)行,所以瞬態(tài)平面熱源法薄板測(cè)試模型假設(shè)試樣是無(wú)限大平板熱傳遞模型。


(2) 瞬態(tài)平面熱源法薄膜試樣測(cè)試方法

對(duì)于薄膜材料(電絕緣),瞬態(tài)平面熱源法中采用了薄膜測(cè)試模型用于導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量,所測(cè)試的導(dǎo)熱系數(shù)是試樣整體的導(dǎo)熱系數(shù),而不是面內(nèi)方向的導(dǎo)熱系數(shù)。


測(cè)試時(shí),探頭被放置于兩片樣品和導(dǎo)熱性能良好的背景材料之間。測(cè)量時(shí),根據(jù)薄膜材料的接觸熱阻的數(shù)據(jù)計(jì)算得到樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。


如下圖所示,測(cè)量時(shí)先選擇兩片厚度一致的薄膜樣品,精確測(cè)量薄膜樣品厚度后,將兩塊薄膜樣品分別放置于探頭的兩邊,然后用兩塊相同的不銹鋼塊壓緊,使探頭與樣品之間沒(méi)有空隙,以保證探頭產(chǎn)生的所有熱量均為樣品所吸收。



需要注意的是,在瞬態(tài)平面熱源法薄膜導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量過(guò)程中,被測(cè)試樣一般沒(méi)有加載力或加載力很小,對(duì)于試樣的加載也是為了讓被測(cè)試樣貼緊探頭減少探頭與被測(cè)試樣之間的熱阻。


(3)不同氣壓下的熱導(dǎo)率測(cè)量

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料試樣,環(huán)境溫度25℃,每個(gè)氣壓點(diǎn)上至少進(jìn)行十次重復(fù)性測(cè)量,采用4921探頭,加熱功率0.01~0.006W,加熱時(shí)間160秒和320秒。


(4)不同溫度導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量

導(dǎo)熱硅脂試樣,測(cè)試溫度25~150℃,每個(gè)溫度點(diǎn)上至少進(jìn)行10次重復(fù)性測(cè)量,采用4921探頭。

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五. 研究報(bào)告


2019年 織物接觸冷暖感測(cè)試評(píng)價(jià)方法研究現(xiàn)狀

2019年 建筑材料保溫砂漿:導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法對(duì)比及其應(yīng)用注意事項(xiàng)

2018年 瞬態(tài)平面熱源法熱導(dǎo)率測(cè)試中的各種參考材料

2013年 HOTDISK在低導(dǎo)熱材料測(cè)試中的重復(fù)性分析

2009年 基于Hot Disk方法測(cè)量熱導(dǎo)率的影響因素

2007年 瞬態(tài)平面熱源法熱物理性能測(cè)量準(zhǔn)確度和適用范圍的標(biāo)定——常溫下標(biāo)準(zhǔn)材料Vespel SP1的熱物理性能對(duì)比測(cè)試

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