稳态法测量导热系数

稳态法测量导热系数

TC—3型导热系数测定仪

实验讲义

杭州富阳精科仪器有限公司

（原杭州富阳电表厂）

- 1 -

导热系数的测量

导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与含杂志等因素都会对导热 数产生明显的影响，因此，材料的导热系数常常需要通过试验来具体测定。测量导热系数

的方法比较多，但可以归并为两类基本方法：一类是稳态法，另一类为动态法。用稳态法时，先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分布，然后进行测量。而在动态法中，待测样品的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。本试验采用稳态进行测量。

【试验目的】

用稳态法侧出不良导热体的导热系数，并与理论值进行比较。

【试验原理】

根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直与热传导方向、彼此间相距为h、温度分别为T1、T2的平行平面（设T1>T2）,若平面面积为S,在△t时间内通过面积S的热量△Q满足下述表达式:

式中

?QT1?T2=?S (1)?th

?Q为热流量,?即为该物质的热导率(又称作导热系数),?在数值上等于相距单位长度?t?1?1的两平面的温度相差1个单位时,单位时间内通过单位面积的热量,其单位是W?m?k。本

试验仪器如图所示：

图 1 稳态法测定导热系数试验组装图 在支架上先放上圆铜盘P，在P的上面放上待侧样品B（圆盘形的不良导体），再把带发

热器的圆铜盘A放在B上，发热器通电后，热量从A传到B盘，在传到P盘，由于A、P

- 2 -

盘都是良导体，其温度即可以代表B盘上、下表面的温度T1、T2，T1、T2分别由插入A、

P盘边缘小孔热电偶E来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中，通过“传感

切换”开关G，切换A、P盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式（1）可以知道，

单位时间内通过待测样品B任一圆截面的热流量为

T?T2VQ?R2B （2）=?1hbVt

公式中RB为样品的半径，hB为样品的厚度，当然传导达到稳定状态时，T1、T2的值

不变，于是通过B盘上表面的热流量与由铜盘P向周围环境散热的速度相等，因此，可通

过铜盘P在稳定温度T2时的散热速度来求出热流量

?Q。试验中，在读得稳定时的T1、?t和T2后，即可将B盘移去，而使盘A的底面与铜盘P接触。当盘P的温度上升到高于稳

定时的T2值若干摄氏度后，再将圆盘A移开，让铜盘P自然冷却。观察其温度T随时间

T变化情况同，然后由求出铜盘在T2的冷却速率

VTVTVQ︱＝T2，而mcT=T2=（m为VtVtVt紫铜盘P的质量，C为铜材的比热容）就是紫铜盘P在温度为T2时的散热速度。但要注意

，这样求出的

VT是紫铜盘的全部表面暴露与空气中的冷却速率，其散热表面积为Vt

2?R+2?Rphp（其中Rp与hp分别为紫铜盘的半径与厚度）。然而在观察测试样品的稳态

2

2p）是被样吕覆盖着的。考虑到物体的冷却速率与它的

传热时，P盘的上表面（面积为?R

表面积成正比，则稳态时铜盘散热速率的表达式应作如下修正：

- 3 -

2VQVT(?Rp?2?Rphp) （3）?mcVtVt(2?R2P?2?RPhp)

将式（3）代入（2），得：

??mc(Rp?2hp)ghBVT1g2 （4）

Vt(2Rp?2hp)(T1?T2)?RB

【试验仪器】

试验采用杭州富阳精科仪器有限公司生产的TC—3型导热系数测定仪。该仪器采用低于36V的隔离电压作为加热电源，安全可靠。整个加热圆筒可上下升降和左右转动，发热圆盘和散热圆盘的侧面有一小孔，为放置热电偶之用。散热盘P放在可以调节的三个螺旋头上，可使待侧样品盘的上下两个表面与发热圆盘和散热圆盘紧密接触。散热盘P下方有一个轴流式风扇，用来快速散热。两个热电偶的冷端分别插在放有冰水的杜瓦瓶中的两根玻璃管中。

热端分别插入发热圆盘和散热圆盘的侧面小孔内。利用面板上的开关可方便地直接侧出两个

温差电动势，温差电动势采用量程为20mV的数字电压表测量，再根据附录的铜一康铜分度表转换成对应的温度值。

仪器设置了数字计时装置，计时范围166mim,分辨率1S，供实验时计时用。仪器还设

置了PID自动温度装置，控制精度?1oC，分辨率0．１oＣ，供实验时加热温度用。

【实验内容】

在测量导热系数前应先对散热盘Ｐ和待测样品的直径、厚度进行测量。 １、用游标卡尺测量待测样品直径和厚度，各测５次。

２、用游标卡尺测量散热盘Ｐ的直径和厚度，各５次，按平均值计算Ｐ盘的质量。也可直接

用天平称出Ｐ盘的质量。 一、不良导体导热系数的测量

１、实验时，先将待测样（例如硅橡胶圆片）放在散热盘上面，然后将发热盘A放在样品

盘B上方，并用固定螺旋母固定在机架上。再调节三个螺旋头，使样品盘的上下表面与发热盘和散热盘紧密接触。

２、在杜瓦瓶中放入冰水混合物，将热电偶的冷却端（黑色）插入杜瓦瓶中。将热电偶的热

端（红色）分别插入加热盘A和散热盘P侧面的小孔中，并分别将其插入加热盘A和散热盘P的热电偶接线连接到仪器面板的传感器I、II上。分别用专用导线将仪器机箱后部分与加热组件圆铝板上的插座间加以连接。

３、接通电源，在“温度控制”仪表上设置加温的上限温度（具体操作见附录4）。将加热

- 4 -