DRP-II導熱系數(shù)測試儀(平板穩(wěn)態(tài)法)
使用說明書
湘 潭 市 儀 器 儀 表 有 限 公 司
地址：湖南省湘潭市雨湖區(qū)潭邵路519號 郵編:411105
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、 概述
導熱系數(shù)（熱導率）是反映材料導熱性能的物理量，它不僅是評價材料的熱學特性的依據(jù)，而且是材料在應用時的個設計依據(jù)，在加熱器 、散熱器、傳熱管道設計、房屋設計等工程實踐中都要涉及這個參數(shù)。因為材料的熱導率不僅隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質(zhì)含量、結構變化都會明顯影響熱導率的數(shù)值，所以在科學實驗和工程技術中對材料的熱導率常用實驗的方法測定。
測量熱導率的方法大體上可分為穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法兩類。本測試儀采用穩(wěn)態(tài)法測量不同材料的導熱系數(shù)，其設計思路清晰、簡捷、實驗方法具有典型性和實用性。測量物質(zhì)的導熱系數(shù)是熱學實驗中的個重要內(nèi)容。
本測試儀由加熱器、數(shù)顯溫度表、數(shù)顯計時器等組成（采用體化設計）
二、 主要技術指標
1、 電源：AC（220±10%）V，（50/60）HZ
2、 數(shù)字溫度表：測量精度：0.5%±1個字.
3、 數(shù)字計時表:計時范圍: 0～100min;小分辨率1S;精度:10-5
4、 測量溫度范圍:室溫～100℃(高加熱溫度120℃)
5、 加熱電壓: 36VAC
6、 散熱銅板:半徑:65mm 厚度:7mm 質(zhì)量:815g(以上的參數(shù)已在每塊銅板上標注,以上提供的僅為參考值)
7、 測試材料:硬鋁、橡皮、空氣等
8、 連續(xù)工作時間：＞8小時
三、 儀器維護與保養(yǎng)
1、 使用將加熱盤與散熱盤的表面擦干凈。樣品兩端面擦凈，可涂上少量硅油。以保證接觸良好。
2、 實驗過程中，如若移開電熱板，應先關閉電源。移開熱圓筒時，手應拿住固定軸轉動，以免燙傷手。
3、 實驗結束后，切斷電源，保管好測量樣品。不要使樣品兩端劃傷，以至影響實驗的精度。數(shù)字溫度表數(shù)字出現(xiàn)不穩(wěn)定時先查熱電偶及各個環(huán)節(jié)的接觸是否良好。
4、 儀器在搬運及放置時，應避免強烈振動和受到撞擊。
5、 儀器長時間不使用時，請?zhí)咨纤芰洗�，防止潮濕空氣長期與儀器接觸。房間內(nèi)空氣濕度應小于80%。
6、 儀器使用時，應避免周圍有強烈磁場源的地方。
7、 長期放置不用后再次使用時，請先加電預熱30min后使用。
四、 成套性
1、DRP-Ⅱ導熱系數(shù)測試儀 1臺
2、電源線 1根
3、用測量熱電偶 2根
4、保溫杯 1只
5、測試樣品（硬鋁、橡皮） 1組
6、使用說明書 1份
7、產(chǎn)品合格證 1份
五、 售后服務
在用戶遵守保管和使用規(guī)則的條件下，從發(fā)貨之日起十二個月內(nèi)因產(chǎn)品質(zhì)量不良而發(fā)生損壞或不能正常工作時，制造廠應無償?shù)貫橛脩粜蘩砘蚋鼡Q零部件。
導熱系數(shù)的測量
導熱系數(shù)（熱導率）是反映材料熱性能的物理量，導熱是熱交換三種（導熱、對流和輻射）基本形式之，是工程熱物理、材料科學、固體物理及能源、環(huán)保等各個研究域的課題之，要認識導熱的本質(zhì)和特征，需了解粒子物理而目對導熱機理的理解大多數(shù)來自固體物理的實驗。材料的導熱機理在很大程度上取決于它的微觀結構，熱量的傳遞依靠原子、分子圍繞平衡位置的振動以及自由電子的遷移，在金屬中電子流起支配作用，在絕緣體和大部分半導體中則以晶格振動起主導作用。因此 ，材料的導熱系數(shù)不僅與構成材料的物質(zhì)種類密切相關，而且與它的微觀結構、溫度、壓力及雜質(zhì)含量相聯(lián)系。在科學實驗作工程設計中所用材料的導熱系數(shù)都需要用實驗的方法測定。（粗略的估計，可從熱學參數(shù)手冊或圖表中查尋）
1882年法國科學家J·傅里葉奠定了熱傳導理論，目各種測量導熱系數(shù)的方法都是建立在傅里葉熱傳導定律基礎之上，從測量方法來說，可分為兩大類：穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法，本實驗采用的是穩(wěn)態(tài)平板法測量材料的導熱系數(shù)。
[實驗原理]
式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的質(zhì)量、C為銅塊的比熱容、Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度。右式中的各項均為常量或直接易測量。
[實驗步驟]
1、 用自定量具測量樣品、下銅板的幾何尺寸和質(zhì)量等必要的物理量，多次測量、然后取平均值。其中銅板的比熱容C=0.385KJ/(K.Kg)
2、 先放置好等測樣品及下銅板（散熱盤），調(diào)節(jié)下圓盤托架上的三個微調(diào)螺絲，使待測樣品與上下銅板接觸良好。安置圓筒、圓盤時，須使放置熱電偶的洞孔與杜瓦瓶同側。熱電偶插入銅盤上的小孔時，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，使熱電偶測溫端與銅盤接觸良好，熱電偶冷端插在冰水混合物中。
3、 合上“加熱開關”，參照智能溫度控制器使用說明書設定好上銅板的溫度。對上銅板進行加熱。
4、 上銅板加熱到設定溫度時，同時通過熱電偶選通開關，將信號先通開關打在（1）測量上銅板的溫度。當上銅板的溫度保持不變時（可通過溫控儀的溫度顯示來觀測），記錄下此時上銅板的溫度（T1），在不斷地給高溫側銅板（上銅板）加熱，熱量通過樣品不斷地傳到低溫側銅塊（下銅塊），經(jīng)過定的時間后，當下銅板的溫度基本不變時，將信號選通開關打在（II）測量下銅板的溫度。記錄下此時下銅板的溫度值（T2）。此時則可認為已達到了穩(wěn)態(tài)。（大約在二分鐘內(nèi)下銅板的溫度保持不變）
5、移去樣品，繼續(xù)對下銅板加熱，當下銅盤溫度比T2高出10℃左右時，移去圓筒，讓下銅盤所有表面均暴露于空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30讀次下銅盤的溫度示值并記錄，直至溫度下降到T2以下定值。作銅板的T-t冷卻速率曲線。（選取鄰近的T2測量數(shù)據(jù)來求出冷卻速率）。
6、 根據(jù)（S1-4）計算樣品的導熱系數(shù)λ。
7、 設置上銅板不同的加熱溫度，在設定加熱溫度時，須高出室溫30℃。設定不同的加熱溫度，測量出不同溫度下樣品的導熱系數(shù)λ。
[實驗注意事項]
1、 穩(wěn)態(tài)法測量時，要使溫度穩(wěn)定約要40分鐘左右，同時每隔30記下樣品上、下圓盤A和P的溫度T1和T2的數(shù)值，待T2的數(shù)值在2分鐘內(nèi)不變即可認為已達到穩(wěn)定狀態(tài)，記下此時的T1和T2值。
2、 測金屬（或陶瓷）的導熱系數(shù)時，T1、T2值為穩(wěn)態(tài)時金屬樣品上下兩個面的溫度，此時散熱盤P的溫度為T3。因此測量P盤的冷卻速率應為：
測T3值時要在T1、 T2達到穩(wěn)定時，將上面測T1和T2的熱電偶移下來進行測量。
3、 圓筒發(fā)熱體盤側面和散熱盤P側面，都有供安插熱電偶的小孔，安放發(fā)熱盤時此二小孔都應與杜瓦瓶在同側，以免線路錯亂，熱電偶插入小孔時，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，保證接觸良好，熱電偶冷端浸于冰水混合物中。
4、 樣品圓盤B和散熱盤P的幾何尺寸，可用游標尺多次測量取平均值。散熱盤的質(zhì)量m約0.8Kg，可用藥物天平稱量。
附錄:銅—康銅熱電偶分度表
| 熱電勢(mV) |
| 溫度℃ | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| -10 | -0.383 | -0.421 | -0.458 | -0.496 | -0.534 | -0.571 | -0.608 | -0.646 | -0.683 | -0.720 |
| 0 | 0.000 | -0.039 | -0.077 | -0.116 | -0.154 | -0.193 | -0.231 | -0.269 | -0.307 | -0.345 |
| 0 | 0.000 | 0.039 | 0.078 | 0.117 | 0.156 | 0.195 | 0.234 | 0.273 | 0.312 | 0.351 |
| 10 | 0.391 | 0.430 | 0.470 | 0.510 | 0.549 | 0.589 | 0.629 | 0.669 | 0.709 | 0.749 |
| 20 | 0.789 | 0.830 | 0.870 | 0.911 | 0.951 | 0.992 | 1.032 | 1.073 | 1.114 | 1.155 |
| 30 | 1.196 | 1.237 | 1.279 | 1.320 | 1.361 | 1.403 | 1.444 | 1.486 | 1.528 | 1.569 |
| 40 | 1.611 | 1.653 | 1.695 | 1.738 | 1.780 | 1.882 | 1.865 | 1.907 | 1.950 | 1.992 |
| 50 | 2.035 | 2.078 | 2.121 | 2.164 | 2.207 | 2.250 | 2.294 | 2.337 | 2.380 | 2.424 |
| 60 | 2.467 | 2.511 | 2.555 | 2.599 | 2.643 | 2.687 | 2.731 | 2.775 | 2.819 | 2.864 |
| 70 | 2.908 | 2.953 | 2.997 | 3.042 | 3.087 | 3.131 | 3.176 | 3.221 | 3.266 | 2.312 |
| 80 | 3.357 | 3.402 | 3.447 | 3.493 | 3.538 | 3.584 | 3.630 | 3.676 | 3.721 | 3.767 |
| 90 | 3.813 | 3.859 | 3.906 | 3.952 | 3.998 | 4.044 | 4.091 | 4.137 | 4.184 | 4.231 |
| 100 | 4.277 | 4.324 | 4.371 | 4.418 | 4.465 | 4.512 | 4.559 | 4.607 | 4.654 | 4.701 |
| 110 | 4.749 | 4.796 | 4.844 | 4.891 | 4.939 | 4.987 | 5.035 | 5.083 | 5.131 | 5.179 |
附錄二：部分材料的密度和導熱數(shù)
| 材料名稱 | (20℃) | 導熱系數(shù)W/(m·K) |
| 導熱系數(shù) | 密度 | 溫度(℃) |
| W/(m·K) | (Kg/m3) | -100 | 0 | 100 | 200 |
| 純鋁 | 236 | 2700 | 243 | 236 | 240 | 238 |
| 鋁合金 | 107 | 2610 | 86 | 102 | 123 | 148 |
| 純銅 | 398 | 8930 | 421 | 401 | 393 | 389 |
| 金 | 315 | 19300 | 331 | 318 | 313 | 310 |
| 硬鋁 | 146 | 2800 | | | | |
| 橡皮 | 0.13-0.35 | 1100 | | | | |
| 電木 | 0.23 | 1270 | | | | |
| 木絲纖維板 | 0.048 | 245 | | | | |
| 軟木板 | 0.044-0.079 | | | | | |
DRP-Ⅱ導熱系數(shù)測試儀制樣附加說明
材料的范疇很廣，有金屬和非金屬、均質(zhì)的和非均質(zhì)的、單體的和復合材料、液態(tài)、固態(tài)、粉料等，導熱系數(shù)范圍非常寬。通過制取不同形狀的試樣，利用DRP導熱系數(shù)測試平臺，可檢測大部分材料。
高導熱材料的檢測方法：平板穩(wěn)態(tài)法導熱系數(shù)測試儀測量材料導熱系數(shù)時，主要是測量冷熱面溫差和熱流兩個參數(shù)量，儀器測量這兩參數(shù)量時，都有測量量程和精度的限制。通過制樣可使材料的冷熱面溫差和熱流都落在儀器的量程和精度范圍內(nèi)。在測量高導熱材料時，要減小熱流傳遞和提高冷熱面溫差。減小熱流可通過減小試樣的傳熱面積來獲得，提高冷熱面溫差可通過增加試樣厚度來獲得。試樣與冷熱板的接觸熱阻相對高導熱試樣熱阻是非常大的，測量時必須消除接觸熱阻。方法是在試樣測量面兩端打2個溫度測量孔，把測量冷熱板溫度的熱電偶插在試樣的溫度測量孔內(nèi)，這樣，測量的冷熱溫差值就不包含接觸熱阻形成的溫差了，試樣厚度數(shù)據(jù)要以試樣2個溫度測量孔的間距來計算。如果熱面溫度比環(huán)境溫度高很多，就要考慮試樣表面散熱，可在試樣表面包上保溫層。測量鋁合金導熱系數(shù)制樣如下圖所示：
粉狀或膠狀材料的檢測方法：測量膠狀物時，要做個圍框，裝樣時，裝滿并稍高于圍框邊。
粉狀料的緊實度與導熱系數(shù)有很大的關系，要考慮測量什么狀態(tài)下的導熱系數(shù)，測量自然狀態(tài)下的導熱系數(shù)，要做個圍框，裝樣時，裝滿并稍高于圍框邊。
有些粉狀料通過壓機制樣，可測量不同緊實度下導熱系數(shù)。
粉狀料還可調(diào)粘結劑進行測量。
薄試樣的檢測方法：非常薄的試樣可采用疊層的辦法進行測量。
以上是特殊試樣的取樣方法，般取樣是散熱板面積和定厚度，導熱系數(shù)高的取厚點，導熱系數(shù)低的取薄點。
總的規(guī)律是：導熱系數(shù)低的試樣取薄、面積大、冷熱溫差大，導熱系數(shù)高的試樣取厚、面積小、冷熱溫差小。
原創(chuàng)作者：湘潭市儀器儀表有限公司
