FM3615型導熱系數測試機
一、概述
導熱系數(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重要依據，而且是應用材料時的一個設計參數，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。因為材料的熱導率不僅隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質含量、結構變化都會明顯影響熱導率的數值，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態法和動態法兩類。本測試機采用穩態法測量不同材料的導熱系數，其設計思路清晰、簡捷、實驗方法具有典型性和實用性。測量物質的導熱系數是熱學實驗中的一個重要內容。
本測試機由加熱器、數字電壓表、計時秒表組成（采用一體化設計）
二、主要技術指標
1、電源：AC(220±10%)V ，(50/60)Hz
2、數字電壓表：3位半顯示，量程0~20mV，測量精度：0.1%+2個字
3、數字計時秒表:5位記時表，最小分辨率0.01S；精度：3×10-2
4、測量溫度范圍：室溫~120℃
5、加熱電壓：高端：AC36V 低端：AC25V
6、散熱銅板：半徑：65mm 厚度：7mm質量：815g
（以上的參數已在每一塊銅板上標註）
7、測試材料：硬鋁、矽橡膠、膠木板、空氣等
8、連續工作時間：>8小時
三、機器的麵板圖
上麵板圖
下麵板圖
四、溫度控制器的使用說明
（見操作說明）
五、機器維護與保養
1、使用前將加熱盤與散熱盤麵擦乾凈。樣品兩端麵擦凈，可塗上少量矽油。以保證接觸良好。註意，樣品不能連續做試驗，特別是矽橡膠必須降至室溫半小時以上才能下一次試驗。
2、在實驗過程中，如若移開電熱板，就先關閉電源。移開熱圓筒時，手應拿住固定軸轉動，以免燙傷手。
3、實驗結束後，切斷電源，保管好測量樣品。不要使樣品兩端劃傷，影響實驗精度。數字電壓表數字出現不穩定時先查熱電偶及各個環節的接觸是否良好。
4、機器在搬運及放置時，應避免強烈振動和受到撞擊。
5、機器長時間不使用時，請套上塑料袋，防止潮濕空氣長期與機器接觸。房間內空氣濕度應小於80%。
6、機器使用時,應避免周圍有強烈磁場源的地方。
7、長期放置不用後再次使用時，請先加電預熱30min後使用。
六、成套性
1、YBF-2型導熱系數測試機 1臺
2、電源線 1根
3、專用測量熱電偶 2根
4、保溫杯 1隻
5、塞尺 1把
6、測試樣品（硬鋁、矽橡膠、膠木板） 1組
7、使用說明書 1份
8、產品合格證： 1份
七、售後服務
在用戶遵守保管和使用規則的條件下，從發貨之日起十二個月內因產品質量不良而發生損壞或不能正常工作時，制造廠無償地為用戶修理或更換零部件。
導熱系數的測量
導熱系數(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）基本形式之一，是工程熱物理、材料科學、固體物理及能源、環保等各個研究領域的課題之一，要認識導熱的本質和特征，需瞭解粒子物理而目前對導熱機理的理解大多數來自固體物理的實驗。材料的導熱機理在很大程度上取決於它的微觀結構，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，材料的導熱系數不僅與構成材料的物質種類密切相關，而且與它的微觀結構、溫度、壓力及雜質含量相聯系。在科學實驗和工程設計中所用材料的導熱系數都需要用實驗的方法測定。（粗略的估計，可從熱學參數手冊或教科書的數據和圖表中查尋）
1882年法國科學傢J•傅裡葉奠定瞭熱傳導理論，目前各種測量導熱系數的方法都是建立在傅裡葉熱傳導定律基礎之上，從測量方法來說，可分為兩大類：穩態法和動態法，本實驗采用的是穩態平板法測量材料的導熱系數。
【實驗目的】
1、瞭解熱傳導現象的物理過程
2、學習用穩態平板法測量材料的導熱系數
3．學習用作圖法求冷卻速率
4、掌握一種用熱電轉換方式進行溫度測量的方法
【實驗機器】
1、YBF-2導熱系數測試機 一臺
2、保溫杯 一隻
3、測試樣品（硬鋁、矽橡膠、膠木板） 一組
4、塞尺 一把
【實驗原理】
為瞭測定材料的導熱系數，首先從熱導率的定義和它的物理意義入手。熱傳導定律指出：如果熱量是沿著Z方向傳導，那麼在Z軸上任一位置Z0處取一個垂直截麵積dS（如圖1）以 表示在Z處的溫度梯度，以 表示在該處的傳熱速率（單位時間內通過截麵積dS的熱量），那麼傳導定律可表示成：
(S1-1)
式中的負號表示熱量從高溫區向低溫區傳導（即熱傳導的方向與溫度梯度的方向相反）。式中比例系數λ即為導熱系數,可見熱導率的物理意義：在溫度梯度為一個單位的情況下，單位時間內垂直通過單位麵積截麵的熱量。
利用（S1-1）式測量材料的導熱系數λ，需解決的關鍵問題兩個：一個是在材料內造成一個溫度梯度 ，並確定其數值；另一個是測量材料內由高溫區向低溫區的傳熱速率 。
1、關於溫度梯度
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為瞭在樣品內造成一個溫度的梯度分佈，可以把樣品加工成平板狀，並把它夾在兩塊良導體——銅板之間（圖2）使兩塊銅板分別保持在恒定溫度T1和T2，就可能在垂直於樣品表麵的方向上形成溫度的梯度分佈。樣品厚度可做成h≤D（樣品直徑）。這樣，由於樣品側麵積比平板麵積小得多，由側麵散去的熱量可以忽略不計，可以認為熱量是沿垂直於樣品平麵的方向上傳導，即隻在此方向上有溫度梯度。由於銅是熱的良導體，在達到平衡時，可以認為同一銅板各處的溫度相同，樣品內同一平行平麵上各處的溫度也相同。這樣隻要測出樣品的厚度h和兩塊銅
板的溫度T1、T2，就可以確定樣品內的溫度梯度度 。當然這需要銅板與樣品表麵的緊密接觸（無縫隙），否則中間的空氣層將產生熱阻，使得溫度梯度測量不準確。
為瞭保證樣品中溫度場的分佈具有良好的對稱性，把樣品及兩塊銅板都加工成等大的圓形。
2、關於傳熱速率
單位時間內通過一截麵積的熱量 是一個無法直接測定的量，我們設法將這個量轉化為較為容易測量的量，為瞭維持一個恒定的溫度梯度分佈，必須不斷地給高溫側銅板加熱，熱量通過樣品傳到低溫側銅塊，低溫側銅板則要將熱量不斷地向周圍環境散出。當加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時，系統就達到一個動態平衡狀態，稱之為穩態。此時低溫側銅板的散熱速率就是樣品內的傳熱速率。這樣，隻要測量低溫側銅板在穩態溫度T2下散熱的速率，也就間接測量出瞭樣品內的傳熱速率。但是，銅板的散熱速率也不易測量，還需要進一步作參量轉換，我們已經知道，銅板的散熱速率與其冷卻速率（溫度變化
率 ）有關，其表達式為：
（S1-2）
式中m為銅板的質量，c為銅板的比熱容，負號表示熱量向低溫方向傳遞。因為質量容易直接測量，c為常量，這樣對銅板的散熱速率的測量又轉化為對低溫側銅板冷卻速率的測量。測量銅板的冷卻速率可以這樣測量：在達到穩態後，移去樣品，用加熱銅板直接對下金屬銅板加熱，使其的溫度高於穩定溫度T2（大約高出10℃左右）再讓其在環境中自然冷卻，直到溫度低於T2，測出溫度在大於T2到小於T2區間中隨時間的變化關系，描繪出T—t曲線，曲線在T2處的斜率就是銅板在穩態溫度時T2下的冷卻速率。
應該註意的是，這樣得出的 是在銅板全部表麵暴露於空氣中的冷卻速率，其散熱麵積為2πRP2+2πRPhP(其中RP 和hP 分別是下銅板的半徑和厚度)然而在實驗中穩態傳熱時，銅板的上表麵（麵積為πRP2）是樣品覆蓋的，由於物體的散熱速率與它們的麵積成正比，所以穩態時，銅板散熱速率的表達式應修正為：
(S1-3)
根據前麵的分析，這個量就是樣品的傳熱速率。
將上式代入熱傳導定律表達式，並考慮到ds=πR2可以得到導熱系數：
（S1-4）
式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的質量、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量等必要的物理量，多次測量、然後取平均值。其中銅板的比熱容C=0.385kJ/(K.kg)。
2、安置被測材料和下銅盤時，須使放置熱電偶的洞孔與杜瓦瓶同一側。熱電偶插入銅盤上的小孔時，要抹上些矽脂，並插到洞孔底部，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。
穩態法測量時，一般采用自動控溫，這時控制方式開關打到“自動”，手動控制開關打到中間位置。溫度穩定約要40分鐘左右，具體時間與被測材料和目標溫度及環境溫度的不同而不同。手動測量時，為縮短時間，可先將“手動控制”開關打在高檔，一定時間後，毫伏表讀數接近目標溫度對應的熱電偶讀數，即可將開關撥至低檔，通過調節手動開關的高檔、低檔及斷電檔，使上銅盤的熱電偶輸出的毫伏值在±0.03mV范圍內。
待上銅盤的溫度穩定後，觀察下銅盤的溫度變化情況，每隔30秒記錄上、下圓盤A和P對應的毫伏讀數，待下圓盤的毫伏讀數在3分鐘內變化一個字以內，即可認為已達到穩定狀態,記下此時的VT1和VT2值。
3、記錄穩態時T1、T2值後，移去樣品，繼續對下銅板加熱，當下銅盤溫度比T2高出10℃左右時，移去圓筒，讓下銅盤所有表麵均暴露於空氣中，使下銅板自然冷卻。每隔30秒讀一次下銅盤的溫度示值並記錄，直至溫度下降到T2以下一定值。作銅板的T—t冷卻速率曲線。（選取鄰近的T2測量數據來求出冷卻速率）。
4、根據（S1-4）計算樣品的導熱系數λ。
5、本實驗選用銅-康銅熱電偶測溫度，溫差100℃時，其溫差電動勢約4.27mV，故應配用量程0～20mV,並能讀到0.01mV的數字電壓表（數字電壓表前端采用自穩零放大器，故無須調零）。由於熱電偶冷端溫度為0℃,對一定材料的熱電偶而言，當溫度變化范圍不大時，其溫差電動勢（mV）與待測溫度（0℃）的比值是一個常數。由此,在用（S1-4）計算時,可以直接以電動勢值代表溫度值。
【實驗註意事項】
1、測金屬的導熱系數的穩態值時,熱電偶應該插到金屬樣品上的兩側小孔中；測量散熱速率時，熱電偶應該重新插到散熱盤的小孔中。T1、T2值為穩態時金屬樣品上下兩側的溫度，此時散熱盤P的溫度為T3，因此測量P盤的冷卻速率應為：
（S1-5）
測T3值時要在T1、T2達到穩定時，將上麵測T1或T2的熱電偶移下來插到下銅盤小孔中進行測量。其中S為散熱盤暴露在空氣中的總麵積，為穩態傳熱過程中樣品與散熱盤的接觸麵積，高度h按金屬樣品上的小孔的中心距離計算。
2、上銅板側麵和散熱盤P側麵，都有供安插熱電偶的小孔，安放發熱盤時此二小孔都應與杜瓦瓶在同一側，以免線路錯亂，熱電偶插入小孔時，要抹上些矽脂，並插到洞孔底部，保證接觸良好，熱電偶冷端浸於冰水混合物中。
3、樣品圓盤B和散熱盤P的幾何尺寸，可用遊標尺多次測量取平均值。散熱盤的質量m 約0.8㎏，可用天平稱量。
4、麵板中的信號輸出可以接電位差計來精確測量熱電偶溫差電動勢。
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