量熱技術(shù)和熱物性測定第六章熱擴散率2025/6/241熱擴散率又稱導(dǎo)溫系數(shù)，其定義為：僅對非穩(wěn)態(tài)傳熱有意義：穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，溫度不隨時間變化，各部分物質(zhì)的熱力學(xué)能亦不發(fā)生變化。單位體積熱容的大小對導(dǎo)熱過程沒有影響，所以熱擴散率也就不起作用。直接測量熱擴散率必需使用非穩(wěn)態(tài)測量方法。第六章熱擴散率2025/6/242與導(dǎo)熱系數(shù)不同，熱擴散率綜合了材料的導(dǎo)熱能力及單位體積熱容的大小，表示材料擴散熱量能力大小。熱擴散率大的材料，熱量穿透一定距離所需時間就短，材料溫度變化傳播快。常溫下各類材料的導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴散率第六章熱擴散率材料λ/Wm-1K-1α×106/m2S-1金屬4～4203～165非金屬(少數(shù)例外)0.17～700.1～1.6液體(非金屬)0.05～0.680.08～0.16氣體0.01～0.2015～165普通隔熱材料0.04～0.120.16～1.602025/6/243激光脈沖法(閃光法)1961年P(guān)arker等提出并研制成功。我國于1973年由中科院金屬所、上海硅酸鹽所、上海激光站等合作研制成功我國第一臺計算機運控的激光熱導(dǎo)儀?，F(xiàn)在激光脈沖法已是應(yīng)用最為廣泛的測量方法之一。優(yōu)點：測量材料種類廣泛：各種金屬、陶瓷、半導(dǎo)體、液態(tài)金屬等；測試溫度范圍廣：－180℃～3000℃試樣尺寸?。褐睆郊s10mm，厚度約1～2.5mm測試速度快：一般僅幾秒鐘。第六章熱擴散率2025/6/244激光脈沖法(閃光法)物理模型在一個四周絕熱的薄圓片試樣的正面，輻照一個垂直于試樣正面的均勻的激光脈沖，測出在一維熱流條件下試樣背面的溫升曲線，進而求出熱擴散率。第六章熱擴散率2025/6/245激光脈沖法(閃光法)物理模型一維瞬態(tài)傳熱方程：在t＝0時刻，脈沖光照射在試樣表面并被均勻吸收，則在據(jù)表面微小距離l內(nèi)樣品溫升為：第六章熱擴散率2025/6/246激光脈沖法(閃光法)物理模型邊界條件：解為：第六章熱擴散率2025/6/247激光脈沖法(閃光法)物理模型由于l<<L，試樣另一面x=L處溫升為：當τ→∞時，L處的溫升△T達到最大：第六章熱擴散率2025/6/248激光脈沖法(閃光法)物理模型無量綱處理優(yōu)點：任何測量結(jié)果曲線都一致為了測量、計算方便起見，可對進行無量綱處理：則：第六章熱擴散率2025/6/249激光脈沖法(閃光法)物理模型確定熱擴散率的方法：第六章熱擴散率00.51.0Vω1.38τ1/2當V＝0.5時，ω＝1.38，則：τ1/2是試樣背面溫升達到最大值一半時所需的時間取半高優(yōu)點1）易于計算2）一定的Y值X方向誤差最小2025/6/2410激光脈沖法(閃光法)物理模型確定熱擴散率的方法：第六章熱擴散率00.51.0Vω0.481.38τ1/2把曲線的線性段外推，與橫坐標截距ω＝0.48，則：2025/6/2411激光脈沖法(閃光法)物理模型上述處理過程要滿足的條件是：試樣面積>>厚度，則側(cè)面散熱可忽略，可視為一維熱流；試樣溫升小(3-5℃)，則向環(huán)境的散熱可忽略不計；試樣材料均勻，各向同性；試樣一面受光輻照，在極薄層內(nèi)吸收并轉(zhuǎn)化為熱量；光輻照時間遠遠小于熱量在試樣內(nèi)傳播的時間。第六章熱擴散率2025/6/2412激光脈沖法(閃光法)比熱測量：是用一個已知比熱容的試樣作為參考樣品，使它和待測樣品的表面都涂有吸收率相同的極薄涂層（一般用膠體石墨），分別進行兩次同樣的閃光加熱，測出兩次實驗的最大溫升及表征激光能量大小的信號，可得待測樣品比熱容：式中cpx,cps分別為待測和已知（參考）比熱容，M為質(zhì)量，Δtmax_x,Δtmax_s分別為待測和已知是最大溫升值，Qx,Qs是表征閃光能量大小的信號。第六章熱擴散率2025/6/2413激光脈沖法(閃光法)閃光法測量比熱的精度較低，主要是閃光能量不易準確測定，另外表面吸收層也不能完全一致。當已知比熱后，也可計算得到導(dǎo)熱系數(shù)：第六章熱擴散率2025/6/2414周期熱流法供給試樣的熱量為具有固定周期的正弦波，在試樣中各點溫度也產(chǎn)生同樣周期變化。當溫度波向前傳遞時發(fā)生衰減。通過測量溫度波振幅在試樣中的衰減量，或者測定試樣內(nèi)某些點之間溫度波的相位差，可求出試樣的熱擴散率。1861年由?ngstr?m提出，按熱流方向不同可分為縱向熱流法和徑向熱流法。第六章熱擴散率2025/6/2415周期熱流法——縱向熱流法試樣為半無限長圓柱，一端加正弦溫度波：式中，θ為相對環(huán)境的過余溫度，θmax是x=0處溫度變化的最大幅值，ω=2πf，f為正弦波頻率，τ為時間。桿的遠端則維持一穩(wěn)定溫度。該模型定解為：第六章熱擴散率2025/6/2416周期熱流法——縱向熱流法測定熱擴散率方法一：通過測定桿上0和x處出現(xiàn)溫度峰值的時間差Δτ，即測定溫度波速V=x/Δτ確定熱擴散率。根據(jù)定解可得：實驗中測量正弦溫度波頻率，以及測量該波在試樣已知的待定距離內(nèi)傳播所需要的時間，即速度V，就可求得熱擴散率。第六章熱擴散率2025/6/2417周期熱流法——縱向熱流法測定熱擴散率方法二：通過測定桿上x處溫度幅值θx,max與θmax比值來確定熱擴散率。根據(jù)定解可得：兩種方法合一可得：第六章熱擴散率2025/6/2418周期熱流法——徑向熱流法在圓柱體試樣軸線上或圓周壁上加正弦溫度波，溫度波沿試樣徑向振幅的衰減和傳播速度(或相差)都只是熱擴散率的函數(shù)，當縱向熱損足夠小時，也可得到準確的α。周期熱流1.用調(diào)制器調(diào)制加熱用的連續(xù)光源以調(diào)制光加熱試樣；2.用半導(dǎo)體熱電片，輸入周期性電流可產(chǎn)生周期性冷熱作用。第六章熱擴散率2025/6/2419過渡態(tài)平板法物理模型：一塊無限大平板，一面維持初始溫度T0，另一面受恒功率加熱，設(shè)熱流密度為q，試樣厚度為L。熱面溫度T的變化可用下述數(shù)學(xué)關(guān)系描述：邊界條件：，；，；初始條件：，；第六章熱擴散率Lqx2025/6/2420過渡態(tài)平板法該方程的解為：當τ→∞時式中的級數(shù)項收斂為零，T到達最大值Tmax：即得穩(wěn)態(tài)平板法測導(dǎo)熱系數(shù)公式。第六章熱擴散率2025/6/2421過渡態(tài)平板法定義：，，則解可寫為：當θ=0.5時，求得Fo(1/2)＝0.1949，于是得到熱擴