一种无损稳态导热率测量方法技术

本发明专利技术涉及一种无损稳态导热率测量方法，包括：1、对于块状材料，利用加热源通过点加热的方式加热样品的表面，对于薄膜材料，利用区域加热方式加热样品和某种已知导热率的对比材料；2、当样品达到热稳态时，对于块状材料，通过测量样品加热表面任意一点的温度变化或者任意两点的温度差来表征样品表面的温度场，对于薄膜材料，通过测量样品和对比材料加热区域中任意一点的温度变化来表征；3、通过样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型得到样品的导热率。与现有技术相比，本方法具有如下优点：1.实现样品同侧加热和探测，可应用于无损测量；2.简化样品制备和测量装置，缩短测量时长；3.环境影响小，可在多种环境下测量导热率。

A Non-destructive Measuring Method of Steady State Thermal Conductivity

The invention relates to a non-destructive steady-state thermal conductivity measurement method, which includes: 1. For bulk materials, the surface of the sample is heated by a heating source through a point heating method, for thin film materials, the sample is heated by a regional heating method and a contrast material with a known thermal conductivity; 2. When the sample reaches a thermal steady state, for bulk materials. Material, the temperature field of the sample surface is characterized by measuring the temperature change at any point on the heated surface of the sample or the temperature difference between any two points. For the thin film material, it is characterized by measuring the temperature change at any point in the heated area of the sample and the contrast material. 3. The thermal conductivity of the sample and the temperature field on the surface of the sample. The thermal conductivity of the sample was obtained by physical model. Compared with the existing technology, the method has the following advantages: 1. realizing heating and detection on the same side of the sample can be applied to non-destructive measurement; 2. simplifying the sample preparation and measurement device to shorten the measurement time; 3. having less environmental impact, it can measure thermal conductivity in a variety of environments.

【技术实现步骤摘要】
一种无损稳态导热率测量方法
本专利技术涉及材料导热率测量技术，尤其是涉及一种无损稳态导热率测量方法。
技术介绍
导热率是材料的一个重要热物理性质参数，快速、简便的导热率测量技术目前变得十分重要。在现有的导热率测量技术中，按测量方法的物理模型可大致分为稳态导热率测量方法和瞬态导热率测量方法。常见的稳态导热率测量方法有热线法(Searle’sbarmethod)和热盘法(Lee’sdiscmethod)。热线和热盘法分别适用于高导热率材料和低导热率材料的导热率测量。在这些稳态方法中，样品需要被均匀地加热或冷却至热稳态，再进行热物理参数测量。稳态测量方法的优点是数学模型简单，但测量中样品达到热稳态需要较长时间，因此整个测量过程时间较长(约几十分钟)。同时，稳态导热率测量方法对应的测量装置复杂，样品需加工成规定形状，限制其工程实地应用。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无损稳态导热率测量方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种无损稳态导热率测量方法，包括以下步骤：S1、当样品是块状材料时，利用加热源通过点加热的方式加热样品的表面，当样品是薄膜材料时，利用加热源通过区域加热的方式同时加热样品和某种已知导热率的对比材料；S2、当样品达到热稳态时，对于块状材料，通过测量样品加热表面任意一点的温度变化或者任意两点的温度差来表征样品表面的温度场，对于薄膜材料，通过测量样品和对比材料的加热区域中任意一点的温度变化来表征样品表面的温度场；S3、通过样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型，计算得到样品的导热率。优选的，所述块状材料的样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：κ＝Q·F/ΔT其中，κ为被测样品的导热率，Q为加热源功率，F为可控参数常数，通过标准材料校准得到，ΔT为温升温度场。优选的，所述步骤S2中，通过测量样品加热表面任意一点的温度变化表征样品表面的温度场时，样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：κ＝Q·Fi/ΔTi其中，Fi为样品加热表面i点的可控参数常数，ΔTi为i点在一段时间的温度差。优选的，所述步骤S2中，通过测量样品加热表面任意两点的温度差表征样品表面的温度场时，样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：κ＝Q·(Fi-Fj)/ΔTij其中，Fi、Fj分别为样品加热表面i点和j点的可控参数常数，ΔTij为某时刻i点和j点的温度差。优选的，所述薄膜材料的样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：其中，ΔTk为样品加热区域的k点在一段时间的温度差，ΔTe′为对比材料加热表面e点在一段时间的温度差，dc和dx分别表示样品和对比材料的厚度，κx表示对比材料的导热率。优选的，所述步骤S2中测量加热样品表面任意一点的温度变化或者任意两点的温度差时，选择测量紧靠加热点的点。优选的，所述步骤S1中，加热前对样品表面进行前处理，使样品表面的发射率相同且降低至较低水平。优选的，所述前处理包括：在样品的待加热表面上涂覆发射率低的涂层。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、无损测量：该方法只需在样品表面设一个微小的加热点和温度检测点，且都位于样品同侧，测量时无需过多加工样品本身即可进行导热率测量，避免样品的损坏。2、样品准备过程简单：由于加热点和温度检测点位于样品材料同一侧，因此样品只需提供一个平整表面，然后在这个平整面上涂覆发射率低的涂层，无需过多准备工作。3、导热率测量范围广泛：对于均质材料，本方法可测的导热率范围大，覆盖低导热材料至金属材料，且本方法对样品制备要求低，适用于各种工程材料；通过选择不同加热源，本方法适用于微米至米尺寸量级的材料的导热率测量，可广泛满足工业需求。4、可实现结构映射：由于本方法测量点小，对于异质材料，测得的导热率为异质材料的局部导热率，因此可根据局部导热率变化通过扫描表征样品表面的结构。5、实地工程应用性强：本方法中环境因素对测量过程影响小，适合在工程实地应用；也可以根据具体的实验要求，通过添加环境控制设备，实现在不同环境和极端环境下的导热率测量。6、缩短测量时长：可通过测量样品加热表面任意两点的温度差来表征样品表面的温度场，同时测量加热点附近空间位置不同的两个被测点温度，由温度差得到导热率，而不用通过两次测量某点加热之前和之后的温度变化，简化了测量过程，提高测量效率。7、实验装置简单，扩展性强：该方法的实施由加热模块、温度数据采集模块和数据处理模块组成，装置结构简单，基于该方法的潜在产品可以根据实际应用进行设计，例如，在实际工程应用中，紧凑设计加热源和探测系统可使产品便于携带。附图说明图1为本专利技术方法的测量系统示意图；图2为本专利技术方法的一种测量系统示意图；图3为本专利技术方法中常数F标定结果图；图4为实施例二中水泥砖块成分分析扫描结果图；图5为实施例三中水泥裂隙探测扫描结果图；图6为实施例四中薄膜材料厚度方向导热率测量时对比材料装置示意图；图7为实施例四中薄膜材料厚度方向导热率测量时样品装置示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，一种无损稳态导热率测量方法，分块状材料和薄膜材料两种材料，包括以下步骤：S1、当样品是块状材料时，利用加热源通过点加热的方式加热样品的表面，当样品是薄膜材料时，利用加热源通过区域加热的方式同时加热样品和某种已知导热率的对比材料；S2、当样品达到热稳态时，对于块状材料，通过测量样品加热表面任意一点的温度变化或者任意两点的温度差来表征样品表面的温度场，对于薄膜材料，通过测量样品和对比材料的加热区域中任意一点的温度变化来表征样品表面的温度场；S3、通过样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型，计算得到样品的导热率。对于块状材料，上述方法中的物理模型建立过程如下：加热源功率Q加热样品表面的一点，使样品内部形成稳定的温升分布场ΔT。ΔT与Q、加热源的空间分布g(x,y,z)和样品材料导热率κ成正比，因此可得到温升温度场的表达式：ΔT＝Q·F(x,y,z,g)/κ其中F(x,y,z,g)包含了样品表面发射率ε和多个可控参数，如：被测点的空间位置(x,y,z)、加热源的空间分布g(x,y,z)、温度探测器的灵敏度和精度以及其他不可变系统参数。对于一个固定的测量系统可保持可控参数不变。加热点和温度探测点位于样品材料同一侧，因此材料只需提供一个平整表面。样品表面发射率ε通过样品前处理，使样品表面的发射率相同且降低至较低水平，具体方法为：在样品的待加热表面上涂覆发射率低的涂层，例如哑光涂层、镀碳或石墨烯二维材料等。经上述材料表面处理后，F(x,y,z,g)为一个不随时间变化的常数，通过标准材料校准可得到常数F。因此可以得到被测样品的导热率κ：κ＝Q·F/ΔT。为了得到准确的测量结果，选择紧靠加热点的被测点以得到明显温升ΔT。由于加热点和测量点空间位置上非常接近，环境(对流效应等)的影响可以忽略，实际应用中可有效避免在室外测量时的环境影响。通过测量样品加热表面任意一点的温度变化表征样品表面的温度场时，样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：κ＝Q·Fi/ΔTi其中，F本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无损稳态导热率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、当样品是块状材料时，利用加热源通过点加热的方式加热样品的表面，当样品是薄膜材料时，利用加热源通过区域加热的方式同时加热样品和某种已知导热率的对比材料；S2、当样品达到热稳态时，对于块状材料，通过测量样品加热表面任意一点的温度变化或者任意两点的温度差来表征样品表面的温度场，对于薄膜材料，通过测量样品和对比材料的加热区域中任意一点的温度变化来表征样品表面的温度场；S3、通过样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型，计算得到样品的导热率。

【技术特征摘要】
1.一种无损稳态导热率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、当样品是块状材料时，利用加热源通过点加热的方式加热样品的表面，当样品是薄膜材料时，利用加热源通过区域加热的方式同时加热样品和某种已知导热率的对比材料；S2、当样品达到热稳态时，对于块状材料，通过测量样品加热表面任意一点的温度变化或者任意两点的温度差来表征样品表面的温度场，对于薄膜材料，通过测量样品和对比材料的加热区域中任意一点的温度变化来表征样品表面的温度场；S3、通过样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型，计算得到样品的导热率。2.根据权利要求1所述的一种无损稳态导热率测量方法，其特征在于，所述块状材料的样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：κ＝Q·F/ΔT其中，κ为被测样品的导热率，Q为加热源功率，F为可控常数参数，通过标准材料校准得到，ΔT为温升温度场。3.根据权利要求2所述的一种无损稳态导热率测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过测量样品加热表面任意一点的温度变化表征样品表面的温度场时，样品的导热率与样品表面的温度场的物理模型为：κ＝Q·Fi/ΔTi其中，Fi为样品加热表面i点的可控参数常数，ΔTi为i点在一段时间的温度差。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐屾，张恒运，王信伟，高楷然，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31