固体导热系数测定系统的设计思路

杨芳 孔伟 周青军 刘松芬

摘要：工程实践是我校提高教师基本素养、完善知识结构的一项重要举措，本文简要介绍了作者在工程实践项目中开发的固体导热系数测量系统的设计原理，并分析了该仪器制备过程中的关键点。

关键词：工程实践；物理教学改革；中国民航大学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）27-0207-02

导热系数是表征物体热传导性质的物理量，常常需要通过试验来具体测定。测量导热系数的方法很多，一般分为稳态法和非稳态法两大类。稳态法是待测样品内的温度分布不随时间变化的稳态温度场，当样品达到热平衡后测出样品的热流速率和温度梯度，就可以测定样品的导热系数，常见的稳态法包括：热板法、保护热板法、热流法等。非稳态法是待测样品内部的温度分布随时间是变化的，测出这种变化，得到热扩散再利用物体已知的密度和比热求得导热系数，常见的非稳态法包括：闪光法、热线法等。各种不同的导热系数测量方法都有其自身的优点、局限性、应用范围和方法本身所带来的不准确性。通过调研和查阅相关资料，我们发现，在普通的实验室或简单的工程中，广泛使用稳态法，这是因为稳态法的设计方案成本低廉，原理清晰，适用于较宽温区的测量，常用于低导热系数材料的测量。

一、设计原理

我校稳态法平板法测量物体的导热系数原理示意图如图1。热量由物体的高温部分自动地传递给低温部分，称为热传导。根据傅里叶一维热传导方程，在物体内部，当热传导达到稳态后，导热速率与温度梯度及传热面积成正比：

其中，λ是比例系数，称为导热系数，它表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，它通常用实验测定，精度要求较高。

大学物理实验课程中，开设的测量不良导体导热系数实验多数采用稳态平板法，即将待测样品置于加热铜盘A和散热铜盘B之间，达到热平衡后，样品存在一定的温度梯度。因为样品设计得很薄，且厚度不到1cm，小于直径的六分之一，通常样品侧面散热常常被忽略不计，认为热量沿着垂直方向（一维）由样品盘传导到散热铜盘，热平衡时，样品盘的导热速率与散热盘的散热速率相等，再通过测量散热盘的散热速率推导出样品的导热系数。实际上，这样的测量方式必然导致测量结果与理论值偏差较大。一方面，实验装置暴露在空气中，即使样品的厚度很薄，但热量的多向传导性，样品侧面仍会有一定的热量散到空气中，这样就会导致样品盘的导热量与散热盘的散热量并不相等；另一方面，散热盘散热速率不均匀，导致测量的散热速率误差较大；再者，实验中开启风扇做强迫对流换热用，但有研究证明，它比自然对流引起更大的误差。基于上述原因，我们有必要设计一款真空环境下稳态平板法测量固体材料的导热系数的系统。

二、仪器制备关键点

我们的設计思想是利用傅里叶热流传导原理，通过温控系统对加热铜盘进行温度预设定，同时利用现代计算机技术、温度传感技术以及基础物理原理进行温度的实时采集、传输和数据分析。该系统测定精度将以橡胶材料导热系数值为参照对象进行标定。我们旨在搭建一个用于测量薄平板状固体样品导热系数小型系统，采用导热性好的纯铜作为热板和冷板。通常情况下，导热系数与材料的组成、结构、密度、湿度、环境温度、风速等影响因素有关。因此，为了避免装置暴露在空气中，我们需要设计一款产生真空环境的箱体，该箱体的形状、大小、承受气压大小、高度、厚度等等都需要经过严格的计算，我们利用工程设计软件计算了两种形状的箱体结构，并确定出钟罩为首选，如图2、3所示。

整套仪器主要包括如下三个组件：真空腔体、热系统、数据分析系统，为了保证该仪器能够长期稳定运行，我们通过大量前提调研以计算机模拟得出如下几个需要注意的关键点：（1）设计用有机玻璃材料制作透明真空罩时，注意有机玻璃的厚度；（2）加热源和温度传感器的走线口位置，以及对真空罩的密封性处理；（3）建立真空热流法测量薄板状固体材料导热系数的物理模型；（4）温度传感器的测温、控温系统设计需要简洁高效。

三、结论

本文分析了固体导热系数测定系统的设计原理，并给出了仪器制备的关键点，基于上述思路我们开发出了一款实用的教学设备，更为详细的介绍将在以后的文章中给出。

参考文献：

[1]张红佳，郭永利，李正，姜芸.真空热流法测定不良导体的导热系数[J].物理实验2012，（09）：5-7.

[2]达道安.真空设计手册[M].国防工业出版社，2004.