基于激光点热源法的固体材料热物性测试装置研发

发布时间：2020-09-19 16:40

　　材料的热物性值是表征材料载热能力的基本参数。不同类别的材料载热能力差异较大,其精确的热物性参数常通过实验的方法获得。目前,材料热物性参数测试方法的研究及其装置的设计,已发展成为一门基础学科,受到越来越高的重视。本文基于固体热传导理论中的非稳态传热模型,提出一种基于激光点热源非稳态传热模型测固体材料热物性参数的新方法。引入镜像热源理论修正绝热边界对测点温升的影响,建立了数学模型,利用数值解法结合计算机编程,计算材料热导率、热扩散率和比热容。研制了一套真空环境中激光点热源作用下的固体材料热物性测试系统。装置试样容器采用密闭设计,通过抽低真空环境实现绝热边界;将试样一角打磨,并涂抹石墨粉,利用激光发生器发射激光束照射,形成点热源作用区域;将贴片式温度传感器布置于被测试样的上表面,通过无线信号发射单元监测温度变化情况。选用硼硅玻璃(Pyrex7740)作为被测试样进行热物性测算,得到的热物性参数值与参考文献数值吻合,验证了本测试系统测算结果的有效性。对大理石、硅砖、硅藻土耐火砖的热物性综合测试结果分析发现,各材料导热系数的测算值与文献对照值偏差均小于5%,且导热系数最小的硅藻土耐火砖的多次测试结果的稳定性明显优于其他材料。通过对大理石和硼硅玻璃导热系数的测算结果进行不确定度评定发现,大理石的不确定度较高,而硼硅玻璃导热系数的不确定度较低。因此,本装置更适用于测试导热系数较小的固体材料(一般导热系数小于3.0W/(m?K)),且被测试样的导热系数越小,不确定度越低。图[35]表[14]参[63]
【学位单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH873
【部分图文】：

稳态法,热物性,材料

世界各地展开，其中亚洲热物性会议（ATPC）、欧洲热物国热物性会议（STP）均以三年为周期轮流举办，国际热膨国际热导率会议（ITCC）以每两年为周期举办一次。Ingen 和 Hause[3-4]成功的研发出基于稳态比较法的测量固体装置，开启了利用稳态法测定材料导热系数的先河；1989 年材料热导率的测量中首次利用保护热板法进行了初步的研究[5]对保护热板法测量保温材料的热导率的过程做了详细地阐性、被测材料热导率范围以及测量温度范围进行了规范性的法日趋标准化。近些年，防护热板测试法取得了进一步的进高的精度。但由于稳态法测试过程中对温度场的稳定有着较，该方法对设备的保温以及测试的时间要求较高。目前，根生热流的实验方式不同，稳态测试法又发展为多个分支，如

非稳态法,热物性,材料

图 2 非稳态法测材料热物性分类tion of thermophysical properties of materials by non-steady s 1861 年提出将一个具有一定周期的热源作用在一圆柱体的检测点的温度变化与热源之间仅在幅值率相同，通过分析该变化规律得出了材料的热扩期热流测试方法。1967 年 Gustafsson S E[7]等人将一条带状薄质金属夹在被测试样中，对金属带因被加热而产生温升，记录其温度变化曲线，通料的热物性参数，测试原理如图 3 所示。Log T[8]-700℃的温度范围内进行测试，导热系数精度在 5%之内，进一步推动了该方法在实际中的运用。Be电脉冲进行加热，并检测被测试样在微妙以及纳公式，测算出来薄膜材料的热物性参数，该方法

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图 9 测试系统模型Fig.9 The testing system model法的数学模型物理模型，建立点热源加热无限大平板的理论方程。 x=0，y=0，z=0 处，点热源的加热功率为 qd，任意时变化规律，根据热力学第一定律和傅立叶定律，可列出2 2 22 2 2( , ) ( y, ) (z, )+ +xx y zθ θ τ θ τ θ τατ = 2 2 2 2R = x + y + z221RR R Rθ θατ =

【参考文献】