《材料物理性能》课程教学资源（讲义）实验三 材料导热系数测定（不良导体导热系数测定）

不良导体导热系数测定 导热系数是反映材料导热性能的重要参数之一，导热系数大，导热性能较好的材料称为 良导体：导热系数小、导热性能差的材料称为材料的不良导体。一般来说，金属的导热系数 比非金属要大：固体的导热系数比液体的要大：气体的导热系数最小。本实验介绍一种比较 简答的利用稳态法测定不良导体导热系数的方法。稳态法是通过热源在样品内部形成一稳定 的温度分布后，测定不良导体导热系数的方法。 一、实验目的 1、掌握稳态法测定不良导体导热系数的方法 2、了解物体散热速率和传热速率的关系 二、实验仪器 1、TQDC-1型导热系数测定仪 2、游标卡尺3、天平 4、镊子 三、实验原理 1、热传导定律 当物体内部各处的温度不均匀时，就会有热量从温度较高处传递到温度较低处，这种现 象叫热传导现象。 早在1882年著名物理学家傅立叶(Fourier)就提出了热传导的定律：若在垂直于热传播 方向x上作一盛面△S,(架) 表示x,处的温度梯度，那么在时间△1内通过截面积△S 所传递的热量△Q为： (1) 式肿是为传热德率，负号代表热量传适方向是以高温区传至任温处，与温度稀度 方向相反。比例系数入称为导热系数，其值等于相距单位长度的两平面的温度相差为一个单 位时，在单位时间内通过单位面积所传递的热量，单位是瓦·米开(·mK） 2、稳态法测传热速率 测定样品导热系数的实验装置如图1所示。图中待测样品（圆盘）半径R=60mm,样 品上表面与加热盘（位于上方的黄铜盘）的下表面接触，温度为日，加热盘由内部电热丝供热 热量由加热盘通过样品上表面传入样品，再从样品下表面与散热盘（位于样品下面的黄铜盘） 的上表面相接，温度为8，即样品中的热量通过下表面向散热盘散发。样品上下表面温度可 以认为是均匀分布，在h不很大情况下可忽略样品侧面散热的影响，则式1)改写为：

不良导体导热系数测定 导热系数是反映材料导热性能的重要参数之一，导热系数大，导热性能较好的材料称为 良导体；导热系数小、导热性能差的材料称为材料的不良导体。一般来说，金属的导热系数 比非金属要大；固体的导热系数比液体的要大；气体的导热系数最小。本实验介绍一种比较 简答的利用稳态法测定不良导体导热系数的方法。稳态法是通过热源在样品内部形成一稳定 的温度分布后，测定不良导体导热系数的方法。 一、实验目的 1、掌握稳态法测定不良导体导热系数的方法 2、了解物体散热速率和传热速率的关系 二、实验仪器 1、TJQDC-1 型导热系数测定仪 2、游标卡尺 3、天平 4、镊子 三、实验原理 1、热传导定律 当物体内部各处的温度不均匀时，就会有热量从温度较高处传递到温度较低处，这种现 象叫热传导现象。 早在 1882 年著名物理学家傅立叶(Fourier)就提出了热传导的定律：若在垂直于热传播 方向 x 上作一截面 S ，以 d dx        表示 0 x 处的温度梯度，那么在时间 t 内通过截面积 S 所传递的热量 Q 为： Q d S t dx      = −       （1） 式(1)中 Q t   为传热速率，负号代表热量传递方向是从高温区传至低温处，与温度梯度 方向相反。比例系数  称为导热系数，其值等于相距单位长度的两平面的温度相差为一个单 位时，在单位时间内通过单位面积所传递的热量，单位是瓦·米-1 开-1 (W·m-1K-1 ). 2、稳态法测传热速率 测定样品导热系数的实验装置如图 1 所示。图中待测样品 (圆盘) 半径 R1 =60mm，样 品上表面与加热盘(位于上方的黄铜盘)的下表面接触，温度为 1 ，加热盘由内部电热丝供热, 热量由加热盘通过样品上表面传入样品，再从样品下表面与散热盘 (位于样品下面的黄铜盘) 的上表面相接, 温度为 2 ，即样品中的热量通过下表面向散热盘散发。样品上下表面温度可 以认为是均匀分布，在 1 h 不很大情况下可忽略样品侧面散热的影响，则式(1)改写为：

架82s (2) 式(2)中S为样品横截面积。 加热盘 温度， iIIIim 温度82 一样品盘 一收热盘 图1导热系数实验装置示意图 当日、日，稳定时，传热也达到稳定，即通过待测样品的传热率和散热黄铜盘向侧面和下 面的散热率相同。 △Q =4g ta=ao △tla,=o (3) 式(3)中A。,0。是传热稳定时的样品上下表面温度， 是是件品的传盐速水、岂 是黄铜盘散热率。 那么式(2)可以表示为： △gl =8-0aS △tlg,-0o h (4) △q 由(4式可见关健是测出黄網盘的散热率△及4。为此，当测出稳态时样品上下表面 的温度(。，日之后，拿走样品，让加热盘下表面直接与散热盘上表面接触，加热下黄铜 盘使温度上升到高于0，。若干度后再拿去上黄铜盘，让下黄铜盘自然冷却，直接向周围散热 AOl 下黄铜盘在8，=8，附近的冷却速率为：△14-8。 黄铜盘的散热率与其冷却速率的关系为： △q .-0

1 2 1 Q S t h     − =  （2） 式(2)中 S 为样品横截面积。 当 1、2 稳定时，传热也达到稳定，即通过待测样品的传热率和散热黄铜盘向侧面和下 面的散热率相同。 1 =1 0  2 = 2 0   =   t q t Q （3） 式（3）中 10 ， 20 是传热稳定时的样品上下表面温度， Q t   是样品的传热速率， q t   是黄铜盘散热率。 那么式（2）可以表示为： S t h q 10 20 2 2 0      − =   = （4） 由(4)式可见关键是测出黄铜盘的散热率  2 = 20   t q 。为此，当测出稳态时样品上下表面 的温度 10 ， 20 之后，拿走样品，让加热盘下表面直接与散热盘上表面接触，加热下黄铜 盘使温度上升到高于  20 若干度后再拿去上黄铜盘，让下黄铜盘自然冷却，直接向周围散热。 下黄铜盘在   2 20 = 附近的冷却速率为： 1 =10   t Q 黄铜盘的散热率与其冷却速率的关系为：  2  2 0  2  2 0  =  =  =   t mc t q （5）

式(5)中m是黄铜质量，c是黄铜比热(c=3.77×102J/Kg·K) 在样品传过程中，只考虑下影盒的下面和面，但在沙却建率时， 盘上表面也暴署在外，实际是黄铜盘的上，下表面和侧面都在散热。由于物体冷却速率与它 的表面积成正比关系，修正(5)式，可得： △0 R+2Rh =m0 Atle-02 △tla-ao八 2πR+2πRh △0 R2+2h2 =ma人2R+2h (6) 式(6)中凡、h分别为散热黄铜盘半径和厚度。 将式(6)代入(4)并整理得待测样品导热系数为： m是险a (7) 四、实验程序 1、用游标卡尺测量待测样品盘的半R径和厚度h,散热黄铜盘的半径凡和厚度么，。参考 值为R=R2=60mm=0.06m,h=5mm=0.005m,么=12m=0.012m。 2、用天平测量散热黄铜盘的质量m,参考值m=1.136Kg。 3、安装实验装置 注意此过程应在关闭测定仪电源的情况下进行。按图1所示将散热黄铜盘小心安装在测 定仪固定支架上，将测温孔朝向正面。然后将待测样品盘，加热黄铜盘依次放在上面，将加 热电源插孔朝向反面，且三盘上下对齐，此时不要安装加热盘提手，最后将加热盘Pt100和 散热盘Pt100分别插入加热黄铜盘和散热黄铜盘测温孔，注意t1O0金属部分不要裸露在外， 且插入深度要一致，否则影响测温精度。将加热电源线通过加热电源插孔与加热黄铜盘连接 好，然后将加热电源线与面板上插座连接好，注意此连接过程顺序不能颠倒。 4、加热盘温度控制参数设置。 将加热盘温度设定为60℃~110℃。 5、加热盘加热及温度测控。 将“加热开关”置于“开”“风扇开关”置于“关”，此时“加热指示”灯亮。在整个 加热及温度控制过程中加热指示灯亮度会随着加热快慢而变化。注意实验应在室内温度基本 稳定及无风的条件下进行，否则将影响控温效果。当加热盘温度控制在设定温度±1℃范围内

式（5）中 m 是黄铜质量，c 是黄铜比热( c = 3.77 × 10 2 J Kg K / • ) 在样品传热过程中，只考虑下铜盘的下表面和侧面散热，但在测冷却速率 t   时，黄铜 盘上表面也暴露在外，实际是黄铜盘的上，下表面和侧面都在散热。由于物体冷却速率与它 的表面积成正比关系，修正(5)式，可得：         + +           =   = = 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 2 0 R R h R R h t mc t q                  + +           = = 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 R h R h t mc    （6） 式(6)中 R2 、 2 h 分别为散热黄铜盘半径和厚度。 将式（6）代入（4）并整理得待测样品导热系数为： 2 2 1 2 2 2 10 20 1 2 1 2 2 R h h mc t R h R             +   =           + −       （7） 四、实验程序 1、用游标卡尺测量待测样品盘的半 R1 径和厚度 1 h ，散热黄铜盘的半径 R2 和厚度 2 h 。参考 值为 1 2 R R mm m = = = 60 0.06 ， 1 h mm m = = 5 0.005 ， 2 h mm m = = 12 0.012 。 2、用天平测量散热黄铜盘的质量 m ，参考值 m Kg =1.136 。 3、安装实验装置 注意此过程应在关闭测定仪电源的情况下进行。按图 1 所示将散热黄铜盘小心安装在测 定仪固定支架上，将测温孔朝向正面。然后将待测样品盘，加热黄铜盘依次放在上面，将加 热电源插孔朝向反面，且三盘上下对齐，此时不要安装加热盘提手，最后将加热盘 Pt100 和 散热盘 Pt100 分别插入加热黄铜盘和散热黄铜盘测温孔，注意 Pt100 金属部分不要裸露在外， 且插入深度要一致，否则影响测温精度。将加热电源线通过加热电源插孔与加热黄铜盘连接 好，然后将加热电源线与面板上插座连接好，注意此连接过程顺序不能颠倒。 4、加热盘温度控制参数设置。 将加热盘温度设定为 60℃～110℃。 5、加热盘加热及温度测控。 将“加热开关”置于“开”“风扇开关”置于“关”，此时“加热指示”灯亮。在整个 加热及温度控制过程中加热指示灯亮度会随着加热快慢而变化。注意实验应在室内温度基本 稳定及无风的条件下进行，否则将影响控温效果。当加热盘温度控制在设定温度±1℃范围内

时，若加热盘温度日和散热盘温度A在10min后仍保持稳定，可认为传热达到稳定。记录 此时加热盘温度。和散热盘温度O0 6、测定散热盘散热率， 将加热盘小心提起，用镊子将待测样品移去，然后将加热盘直接放在散热盘上，给散热 盘加热，使散热盘温度高于O10℃左右，将“加热开关”置于“关”，小心移去加热盘， 使散热盘在空气中自然冷却。冷却过程中每隔30s读一次散热盘温度日，一直读到低于 日。10C左右。将实验所得数据记录在表1中。 表1散热盘散热率实验数据 1(s)0 30 6090120. 540570600 8(c) 7、改变加热盘温度设定值，重复实验步骤5、6，测定样品在不同温度下导热系数1 8、改变待测样品，重复以上实验步骤，测定不同样品的导热系数入。 9、实验完毕，将“风扇开关”置于“开”“加热开关”置于“关”，此时风扇开启，“风 冷指示”灯亮，使散热盘加速冷却，直到散热盘温度降至室温，将“风扇开关”置于“关”。 10、整理实验仪器。 注意此过程应在关闭测定仪电源的情况下进行。将加热电源线与面板上插座分开，然后 将加热电源线与加热黄铜盘分开，注意此分开过程顺序不能颠倒。取下加热盘P100和散 热盘P100并放回。整理待测样品盘，加热黄铜盘和散热黄铜盘 五、实验报告 1、根据表1所记录实验数据，选择，。附近10组数据，用逐差法处理实验数据，计算 散热盘冷却速率4日 2、将散热盘冷知速率A ,代入(7)式计算待测样品导热系数1。 3、测定样品在不同温度下的导热系数入，比较不同温度下同一样品导热系数大小，分 析导热系数与温度的关系。 4、测定不同样品的导热系数入，比较不同样品导热系数的大小，分析不同样品的导热 性能。 六、注意事项 1、加热盘温度设定值不得高于110℃，实验时应随时观察加热盘温度的变化。 2、实验装置温度较高，实验过程中不要触摸高温盘，以防烫伤

时，若加热盘温度 1 和散热盘温度 2 在 10min 后仍保持稳定，可认为传热达到稳定。记录 此时加热盘温度 10 和散热盘温度  20 6、测定散热盘散热率。 将加热盘小心提起，用镊子将待测样品移去，然后将加热盘直接放在散热盘上，给散热 盘加热，使散热盘温度高于  20 10℃左右，将“加热开关”置于“关”，小心移去加热盘， 使散热盘在空气中自然冷却。冷却过程中每隔 30s 读一次散热盘温度 2 ，一直读到低于  20 10℃左右。将实验所得数据记录在表 1 中。 表 1 散热盘散热率实验数据 t (s) 0 30 60 90 120 . 540 570 600 2 (℃) 7、改变加热盘温度设定值，重复实验步骤 5、6，测定样品在不同温度下导热系数  8、改变待测样品，重复以上实验步骤，测定不同样品的导热系数  。 9、实验完毕，将“风扇开关”置于“开”“加热开关”置于“关”，此时风扇开启，“风 冷指示”灯亮，使散热盘加速冷却，直到散热盘温度降至室温，将“风扇开关”置于“关”。 10、整理实验仪器。 注意此过程应在关闭测定仪电源的情况下进行。将加热电源线与面板上插座分开，然后 将加热电源线与加热黄铜盘分开，注意此分开过程顺序不能颠倒。取下加热盘 Pt100 和散 热盘 Pt100 并放回。整理待测样品盘，加热黄铜盘和散热黄铜盘。 五、实验报告 1、根据表 1 所记录实验数据，选择  20 附近 10 组数据，用逐差法处理实验数据，计算 散热盘冷却速率 t   ， 2、将散热盘冷却速率 t   ，代入（7)式计算待测样品导热系数  。 3、测定样品在不同温度下的导热系数  ，比较不同温度下同一样品导热系数大小，分 析导热系数与温度的关系。 4、测定不同样品的导热系数  ，比较不同样品导热系数的大小，分析不同样品的导热 性能。 六、注意事项 1、加热盘温度设定值不得高于 110℃，实验时应随时观察加热盘温度的变化。 2、实验装置温度较高，实验过程中不要触摸高温盘，以防烫伤

3、PID智能温度调节器出厂前各参数均设置好，实验时可以修改加热盘温度设定值SV。 修改其他参数时应谨慎，否则影响控温效果。 4、实验过程中100金属部分不要裸露在外，且插入深度要一致，否则影响测量精度 5、实验应在室内温度基本稳定及无风的条件下进行，否则将影响控温效果。 6、测定仪面板上有0-220V加热电源，连接导线时应关闭电源，以防触电。 七、思考题 1、测定散热盘冷却速率时为什么要在稳态温度日。附近选值？ 2、样品的导热系数大小与导热性能有什么关系？

3、PID 智能温度调节器出厂前各参数均设置好，实验时可以修改加热盘温度设定值 SV。 修改其他参数时应谨慎，否则影响控温效果。 4、实验过程中 Pt100 金属部分不要裸露在外，且插入深度要一致，否则影响测量精度。 5、实验应在室内温度基本稳定及无风的条件下进行，否则将影响控温效果。 6、测定仪面板上有 0-220V 加热电源，连接导线时应关闭电源，以防触电。 七、思考题 1、测定散热盘冷却速率时为什么要在稳态温度  20 附近选值? 2、样品的导热系数大小与导热性能有什么关系?