一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统技术方案

本发明专利技术公开了一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统。测试时，通过加热系统与电加热膜连接对加热段进行恒定功率的加热，冷却系统与冷却腔体连接对冷却段进行恒温冷却，数据采集处理系统与热电偶连接完成被测高导热材料沿程温度的实时采集和输出。且测试过程中采用保温材料对被测高导热材料的加热段和保温段进行绝热保温，使热量沿被测高导热材料的长度方向进行传递，形成被测高导热材料沿长度方向的一维稳态传热，可实现在较小加热功率下被测高导热材料表面沿程有较大的温差，保证一定的测试精度。本发明专利技术能解决现有技术中测试高导热材料导热系数时测样品尺寸大，加热功率大难以实施，测试精度低，无法通过一次性测试得到材料的导热系数等问题。

A Simple Steady State Measuring System for Thermal Conductivity of High Thermal Conductivity Materials

The invention discloses a simple and stable testing system for thermal conductivity of high thermal conductive materials. During the test, the heating section is heated with constant power by connecting the heating system with the electric heating film, the cooling system is connected with the cooling chamber to cool the cooling section at constant temperature, and the data acquisition and processing system is connected with the thermocouple to complete the real-time acquisition and output of the temperature along the measured high thermal conductivity material. In the process of testing, thermal insulation material is used to insulate the heating and insulation section of the tested high thermal conductivity material, so that heat is transferred along the length direction of the tested high thermal conductivity material, forming one-dimensional steady-state heat transfer along the length direction of the tested high thermal conductivity material, which can achieve a larger temperature difference along the surface of the tested high thermal conductivity material under a smaller heating power and ensure a certain test accuracy. \u3002 The invention can solve the problems of large sample size, high heating power, low testing accuracy, and unable to obtain thermal conductivity of materials through one-time testing in the prior art when testing thermal conductivity of high thermal conductivity materials.

【技术实现步骤摘要】
一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统
本专利技术属于热物性测试
，具体涉及一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统，该系统沿被测高导热材料长度方向形成一维稳态传热，基于一维导热定律得到被测材料导热系数的测试，特别适宜于不易加工大尺寸(长宽高)的各种高导热材料(铝、铜、石墨等)的导热系数测试。
技术介绍
高导热材料(铝、铜、石墨等)在航天航空、低温建筑和电子器件散热等领域均有广泛的应用，而将这些材料设计应用于相关领域时，必须准确测试其热性能才能更加合理、高效的对其进行使用。导热系数作为表征材料最重要的热物性参数之一，在材料的热性能分析方面具有关键性的作用。目前导热系数的测试方法主要分为稳态法和非稳态法两大类，常规稳态法只适于测试中低导热系数的材料，测试时通常将被测样品加工成一个面积较大矩形板，放置于冷源与热源中间且保证冷热面有5℃以上的温差，待温度稳定后依据傅里叶导热定律计算其导热系数，测试精度低。测试中通常需要极大的加热功率才能形成较大的温差(如测试一块规格为20cm×20cm×1cm铝板，保证冷热面温差为5℃时则需要加热功率约为4740W)，而大功率的加热一般不易实施，因此不适合测试高导热材料的导热系数。非稳态法中周期热流法和激光闪射法通常用于测试高导热材料的导热系数，但是实际测试的数据只能得到样品的热扩散系数，还需采用其他方法测试材料的密度与比热才能进而推导出材料的导热系数，增加了误差来源且无法通过一次性测试得到材料的导热系数。因此提供一种测试精度高，通过一次测试可以得到被测高导热材料导热系数的测试方法将会对高导热材料导热系数的实际测试带来极大的便利，具有重要的应用价值。
技术实现思路
针对目前技术中存在的不足，为提高高导热材料导热系数测试的便利性，本专利技术提供了一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统。本专利技术能解决现有技术中测试高导热材料导热系数时测样品尺寸大，加热功率大难以实施，测试精度低，无法通过一次性测试得到材料的导热系数等问题。本专利技术采用如下技术方案来实现的：一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统，包括加热系统、电加热膜、保温材料、冷却腔体、冷却系统、热电偶和数据采集处理系统；其中，测试时，被测高导热材料一端缠绕有电加热膜，另一端夹持在平行设置的两个冷却腔体之间，若干热电偶均匀布置在被测高导热材料的中部，且被测高导热材料除夹持在两个冷却腔体之间部分外，其他部分的外侧均设置有保温材料；加热系统与电加热膜连接用于对被测高导热材料一端进行恒定功率的加热，冷却系统通过与冷却腔体连接用于对被测高导热材料另一端进行恒温冷却，数据采集处理系统与热电偶连接用于完成被测高导热材料沿程温度的实时采集和输出。本专利技术进一步的改进在于，被测高导热材料沿长度方向依次分为加热段、保温段和冷却段；电加热膜缠绕在被测高导热材料的加热段，两个冷却腔体夹持在被测高导热材料的冷却段，且在加热段和保温段设置有保温材料进行绝热保温，使得沿被测高导热材料的长度方向形成稳态一维传热，然后根据保温段的沿程温度分布即可计算其导热系数。本专利技术进一步的改进在于，电加热膜紧密缠绕在被测高导热材料的加热段，并采用耐高温柔性胶带进行粘贴固定。本专利技术进一步的改进在于，保温材料的导热系数为0.04W/m·K时，厚度在5cm以上，用于保证较小的热量损失和可靠的测试精度。本专利技术进一步的改进在于，在被测高导热材料的保温段沿长度方向在正反面布置几排热电偶作为温度采集点。本专利技术进一步的改进在于，每排布置热电偶的数量为3个，其中第一排热电偶的布置位置距电加热膜为1cm，后面每一排热电偶的布置位置依次距前一排的位置为2cm。本专利技术进一步的改进在于，每排热电偶采集的温度差异小于0.3℃。本专利技术进一步的改进在于，被测高导热材料的加热段和冷却段的长度根据实际电加热膜的宽度和被测高导热材料的长度进行调节，保温段长度为5-10cm。本专利技术进一步的改进在于，被测高导热材料的形状为长薄板形状，其长度大于厚度。本专利技术进一步的改进在于，冷却腔体采用纯铜制成。本专利技术具有如下有益的技术效果：本专利技术提供的一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统，包括加热系统、电加热膜、保温材料、冷却腔体、冷却系统、热电偶和数据采集处理系统；所述加热系统与电加热膜连接对被测高导热材料一端进行恒定功率的加热，冷却系统通过与冷却腔体连接对被测高导热材料另一端进行恒温冷却，数据采集处理系统与热电偶连接完成被测高导热材料沿程温度的实时采集和输出。其中，本专利技术加热方式便捷灵活，通过加热系统连接的电加热膜对被测高导热材料进行恒定功率的加热，电加热膜的大小和形状可根据被测高导热材料的大小和形状进行选择确定，提高了加热方式的灵活性。本专利技术冷却方式采用冷却系统连接的两块冷却腔体进行冷却，其中冷却系统提供恒定温度的循环流体在冷却腔体的一端流入，另一端流出保证冷却腔体始终处于恒定的温度下。特别地，计算中热流密度的值为加热系统输入电加热膜的加热功率与被测材料沿长度方向的横截面积的商。进一步，将被测高导热材料沿长度方向分为加热段、保温段和冷却段。其中加热段和冷却段的长度可根据实际电加热膜的宽度和被测高导热材料的长度进行调节，保温段长度优选为5-10cm。电加热膜布置时其长度方向垂直于被测高导热材料的长度方向缠绕，因此电加热膜的宽度对应被测高导热材料的加热段的长度。冷却段长度则是除加热段和保温段后剩余的部分。进一步，电加热膜缠绕在被测材料表面会有一定的空隙，因此采用耐高温的柔性胶带将加热膜固定粘贴在材料表面，即减小了加热膜和被测材料表面的接触热阻，同时耐高温的柔性胶带也提高了在高温加热情况下加热的均匀性，并减少空气热阻的影响。进一步，冷却腔体优选用高导热的材料(如纯铜)以保证对被测材料的接触面进行快速充分的冷却。冷却时将被测材料的一端放置于两块冷却腔体中间，被测材料伸入两块冷却腔体中间的长度可被测材料的长度确定，提高了冷却方式的便利性。进一步，测试过程中采用一定厚度、隔热性能好的保温材料将被测高导热材料的加热段和保温段包裹起来进行绝热保温，以减少沿程热量的散失。使热量沿被测高导热材料的长度方向进行传递，形成被测高导热材料沿长度方向的一维稳态传热，这样便可实现在较小加热功率下被测高导热材料表面沿程有较大的温差，进而保证一定的测试精度。保温材料包裹被测高导热材料后形状近似为圆筒状，其厚度按表面散热损失计算后发现保温材料的导热系数在0.04W/m·K时，厚度在5cm以上，可保证较小的热量损失和可靠的测试精度。进一步，在被高导热测材料的保温段沿长度方向在其正反面布置几排热电偶作为温度采集点，每一面每排布置热电偶的数量优选为3个，分别布置在被测材料中心处及两侧处。实验中应注意每排热电偶采集的温度差异小于0.3℃，然后取其平均值作为这一排所在位置处的实际温度进行求解计算，保证了较高的测试精度。克服了常规稳态法测试样品尺寸大，需要极大加热功率才能形成较大温差，测试精度低的缺点。其中第一排热电偶的优选布置位置距电加热膜为1cm，因为电加热膜布置时垂直于被测材料的长度方向，则在加热段热量垂直于被测材料的长度方向(即厚度方向)传递，除加热段外热量主要沿被测材料的长度方向传递，但在加热段和保温段的过渡区域热量并不是完全平行于材料长度方向传递的，则过渡本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统，其特征在于，包括加热系统(1)、电加热膜(2)、保温材料(4)、冷却腔体(5)、冷却系统(6)、热电偶(8)和数据采集处理系统(7)；其中，测试时，被测高导热材料(3)一端缠绕有电加热膜(2)，另一端夹持在平行设置的两个冷却腔体(5)之间，若干热电偶(8)均匀布置在被测高导热材料(3)的中部，且被测高导热材料(3)除夹持在两个冷却腔体(5)之间部分外，其他部分的外侧均设置有保温材料(4)；加热系统(1)与电加热膜(2)连接用于对被测高导热材料(3)一端进行恒定功率的加热，冷却系统(6)通过与冷却腔体(5)连接用于对被测高导热材料(3)另一端进行恒温冷却，数据采集处理系统(7)与热电偶(8)连接用于完成被测高导热材料(3)沿程温度的实时采集和输出。

【技术特征摘要】
1.一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统，其特征在于，包括加热系统(1)、电加热膜(2)、保温材料(4)、冷却腔体(5)、冷却系统(6)、热电偶(8)和数据采集处理系统(7)；其中，测试时，被测高导热材料(3)一端缠绕有电加热膜(2)，另一端夹持在平行设置的两个冷却腔体(5)之间，若干热电偶(8)均匀布置在被测高导热材料(3)的中部，且被测高导热材料(3)除夹持在两个冷却腔体(5)之间部分外，其他部分的外侧均设置有保温材料(4)；加热系统(1)与电加热膜(2)连接用于对被测高导热材料(3)一端进行恒定功率的加热，冷却系统(6)通过与冷却腔体(5)连接用于对被测高导热材料(3)另一端进行恒温冷却，数据采集处理系统(7)与热电偶(8)连接用于完成被测高导热材料(3)沿程温度的实时采集和输出。2.根据权利要求1所述的一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统，其特征在于，被测高导热材料(3)沿长度方向依次分为加热段(3-1)、保温段(3-2)和冷却段(3-3)；电加热膜(2)缠绕在被测高导热材料(3)的加热段(3-1)，两个冷却腔体(5)夹持在被测高导热材料(3)的冷却段(3-3)，且在加热段(3-1)和保温段(3-2)设置有保温材料(4)进行绝热保温，使得沿被测高导热材料(3)的长度方向形成稳态一维传热，然后根据保温段(3-2)的沿程温度分布即可计算其导热系数。3.根据权利要求2所述的一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统，其特征在于，电加热膜(2)紧...

【专利技术属性】
技术研发人员：张虎，马奕新，尚晨阳，王海波，蒋文杰，王娴，李跃明，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61