合金粉末的传热性能测试

合金粉末的传热性能测试一、实验目的 掌握激光导热仪的测试原理和软件使用方法。掌握储氢合金的比热、热扩散系数和导热 系数的测试方法和操作步骤。二、设备仪器1. Netzsch LFA447 NanoFlash 激光导热仪2. AccuPyc 1330 型真密度仪3. TE124S 电子分析天平；4. 769YP-40C 手动压片机；5. 螺旋测微器；三、Netzsch LFA447 NanoFlash激光导热仪构造及工作原理图 9-7 为 Netzsch LFA447 NanoFlash 激光导热仪原理示意图。4 个试样与标准样品分 别放入不同的样品架内，然后加热并测量样品的比热、热扩散系数和导热系数。厂*打E卩机炉子电刖Ia4J4aDetector ElectronicsIR DetectorSample ChangerHea terSystem ElectronicsOptical FilterReflectorFlash LampLamp Pcwer Supply图 9-7 Netzsch LFA447 NanoFlash 激光导热仪原理示意图图9-7中在一定的设定温度T （由炉体控制的恒温条件）下，由激光源或闪光氙灯在瞬 间发射一束光脉冲，均匀照射在样品下表面，使其表层吸收光能后温度瞬时升高，并作为热端将能量以一维热传导方式向冷端（上表面）传播。使用红外检测器连续测量样品上表面中心部位的相应温升过程，得到类似于下图9-8的温度（检测器信号）升高对时间的关系曲线：时间/ms图 9-8 闪光法试样背面温升曲线在理想情况下，光脉冲宽度接近于无限 小，热量在样品内部的传导过程为理想的由下 表面至上表面的一维传热、不存在横向热流， 外部测量环境则为理想的绝热条件、不 存在热损耗（此时样品上表面温度升高至图中 的顶点后将保持恒定的水平线），则通过计量 图中所示的半升温时间t50 （定义为在接受光 脉冲照射后样品上表面温度（检测器信号）升 高到最大值的一半所需的时间，或称tl/2）,由式：a = 0.1388 * & / t50 （d:样品的厚 度）即可得到样品在温度T下的热扩散系数a。由于导热系数与热扩散系数存在着换算关系：入（T） = a （T） * Cp （T） *p （T）。在已 知温度T下的热扩散系数a、比热Cp与密度p的情况下便可计算得到导热系数。其中密度 一般在室温下测量，其随温度的变化可使用材料的线膨胀系数表进行修正（同时修正样品厚 度随温度的变化），在测量温度不太高、样品尺寸变化不太大的情况下也可近似认为不变。比热可使用文献值、可使用差示扫描量热法（DSC ）等其他方法测量，也可在闪光法仪器中使用比较法与热扩散系数同时测量得到。对于比较法的原理简述如下：使用一个与样品截面形状相同、厚度相近、热物性相近、表面结构（光滑程度）相同且 比热值已知的参比标样，与待测样品同时进行表面涂覆（确保与样品具有相同的光能吸收比 与红外发射率），并依次进行测量，在理想的绝热条件下，得到两条测试曲线，测出两次实 验的最大温升及表征激光能量大小的信号，可得待测样品的比热为：= m AT QCp Cp std std samsam std m AT Qsam sam std式中,分别为Cpsam, Cpstd待测和已知标准样品比热容，m为质量，T是最大温升值,， 是表征闪光能量大小的信号，脚标std表示标准样品，sam为样品。四、试验原理测热导率的方法可以分为稳态法和非稳态法两类。一般来讲，稳态法用来测量热导率较 低的材料，非稳态法的适用范围更为广泛。闪光法（FlashMethod）就是目前最为常用的非 稳态法之一。本实验采用的方法就是闪光法。由于这种方法具有所用试样小、测试速度快、 温度范围宽和材料种类广等一系列优点，目前已经成为非稳态法中应用最广和最受欢迎的方 法，大量的应用于材料的热扩散系数的测定。闪光法的物理模型是：如果一束能量为Q的脉冲辐射被四周绝热、匀质、不透光、厚度 为 L 的试样正面瞬时的均匀吸收，那么在试样的背面将会产生一维热流，从而引起背面温度升高。试样为一般为圆形或方形薄片。根据另一面的温度T随时间t变化，可确定热扩散系 数，进而再由此利用材料的比热、密度算出热导率。其原理见图9-9。脉刊谡层祖度检討兀件脯冲光图 9-9 闪光法原理图假设激光脉冲提供的热量被样品均匀吸收，其进入样品的深度为h,则t = 0时刻样 品中温度的分布为：7（0） = -，0 V x W hF（兀 0） = 0, hVxWL其中，Q为单位面积吸收的能量，L为样品厚 度，且试样周围热损失很小以至可以忽略时，可以认为侧面绝热，可用一维导热微分方程dT（x,e）_ T（x,e），来描述其物理过程，其中，氐就是试样材料的热扩散系数，cm2/sec。从上述微分方程，结合初始条件可以解出t时刻样品中的温度分布:v Q d kttx sm（K7rh /L） 巩兀f）= -1 + 2乞込、冥exp（一芫一）pC2_iN.7F/ 2 i i_ii_i由于h是个小量，所以曲戒皿。又由于“exp”项的存在，我们可以只取方程的 前几项就足够了。因此， x=L 处的 温度变化近似可以 表示为:=牛i+吃（-厅協忸茅：）尬 pcm-i2）从方程（1），我们可以得到样品表面最大的温度变化为:则有设现在，图 9-10 闪光法试样背面温升曲线Ijj厂（厶f）=i+2乞一iy弦悦一/）（4）和3的关系见图9T0。图中显示的是样品背面（即背对激光脉冲的一面）的温度变化（假定没有热量损耗）。在图9-10中，3 =1.38处的，所以可以从方程（4）得到热扩散系数的表达式为:5）其中，是在激光脉冲照射下样品背面达到最大值一半时的时间。由方程（5），可以看到只要知道了样品厚度L （cm）和（sec），就可以得到热扩散系数，而并不需要知道激光脉冲提供的热量值 Q（J/cm）。需要重申的是，上述处理过程要满足的物理条件是:试样面积厚度，则侧面散热可以忽略，可视为一维热流；试样温升小，则向环境的散热可忽略不计；试样材料均匀；试样面受光辐照，在极薄层内吸收并转化为热量；光辐照时间远远小于热量在试样内传播的时间等等。五、实验步骤1.首先将合金研磨成100p m的细粉进行压块，制成12.5X2 （mm）的圆柱体样品:合金样品直接压块成型。2通过电子分析天平进行样品称重，通过螺旋测微器测量样品的直径和厚度，计算样 品的体积，然后算出样品的密度。3在样品上喷涂一层石墨涂层，增加激光束的能量吸收率，使之和标样有同样的吸收 率。4将被测样品与标准样品放入不同的样品架内，开始加热并测量样品的比热、热扩散 系数和导热系数。表 9-1 合金粉末的传热性能数据表试验温度4060100150180热扩散系数，a比热，Cp导热系数，入所绘出数据图与下图类似，该实验由于涉及许多软件操作，主要以老师演示操作为主，学生操作为辅，但是数据处理和数据图需要学生亲自完成。900s/2mm5 O88005 O77 00 数系散扩热，-导热系数比热-热扩散系数)K m (ZW数系热导6 5 4 3 2K/g/J pC1 0 9 8 7 6 5 4 3 24 4 3 3 3 3 3 3 3 31.00.3140 6080 100 120 140 160 180 200温度/0C六、记录、计算及数据处理材料：;样品质量，mg；样品直径，dmm；样品厚度,mm；样品体积，V =上譽m.mm3；样品密度，p = vg/mm3