熱導(dǎo)率測量

方法簡介

實(shí)驗(yàn)室熱導(dǎo)率測量有穩(wěn)態(tài)法和瞬時(shí)法兩種。常應(yīng)用穩(wěn)定平板式巖石熱導(dǎo)儀、穩(wěn)定分棒式巖石熱導(dǎo)儀等穩(wěn)態(tài)法，測量巖石熱導(dǎo)率。就地測量方法一般采用非穩(wěn)態(tài)法，即瞬時(shí)法。通常用一根直徑與長度比小于1：30的探棒插入松散沉積物中，探棒里有一個(gè)電熱器和測溫用的熱敏電阻。用已知并恒定的速率加熱探棒，記錄其溫升值。溫升的大小是加熱時(shí)間和周圍物質(zhì)熱導(dǎo)率的函數(shù)。用溫度相對(duì)于時(shí)間的對(duì)數(shù)作圖，就可以得到測量數(shù)據(jù)的最簡判讀方法，也可以通過計(jì)算直接算出周圍物質(zhì)的熱導(dǎo)率。此外，還應(yīng)用非穩(wěn)定環(huán)形熱源——微形探針巖石熱導(dǎo)儀等非穩(wěn)態(tài)法。就地測量方法適用于深海沉積物、土壤、砂和冰雪等，其優(yōu)點(diǎn)是能夠測得原始狀態(tài)下的熱性質(zhì)，但測量結(jié)果只能反映測量儀器周圍物質(zhì)的瞬時(shí)熱狀態(tài) 。2100433B

根據(jù)以上分析，有效熱導(dǎo)率的計(jì)算可分為以下幾種情況。

有效熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率為常數(shù)的平板

（1）無熱源的情形

如圖1，為無熱源平板，兩壁面溫度分別為T₁與T₂，熱導(dǎo)率為λ，板內(nèi)溫度分布為：

（2）熱源強(qiáng)度為常數(shù)q''的情形

此情形下，板內(nèi)溫度分布呈拋物線：

通過平板的熱流密度在不同處不再相同。

在x=0處，

在x=L處，

在x=L/2處，

當(dāng)

顯然，λ'<λ，對(duì)應(yīng)圖2中比較平坦的一條虛線。在計(jì)算q₂時(shí)，有效熱導(dǎo)率為：

有效熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率隨溫度變化的平板

在實(shí)際工程材料中，熱導(dǎo)率大都是溫度的函數(shù)，它隨溫度而變化的規(guī)律不盡相同。作為一階近似，假如它隨溫度的變化規(guī)律滿足下式，其中λ₀和a為常數(shù)：

（1）溫度變化的無熱源平板

板內(nèi)溫度分布滿足下列導(dǎo)熱微分方程：

在已知板的兩壁面溫度為T₁與T₂的條件下，板內(nèi)溫度分布如圖3所示，其函數(shù)形式為：

相應(yīng)的熱流密度為

由此計(jì)算得到有效熱導(dǎo)率λ'為

該結(jié)論也可用于圓筒壁與球壁的計(jì)算，只是在圓筒壁與球壁中不用熱流密度而用單位長度熱流量q_t與總熱流量Q來代替。

（2）溫度變化的有熱源平板

對(duì)照無熱源平板公式，此時(shí)板內(nèi)溫度分布滿足下列導(dǎo)熱微分方程：

在已知板的兩壁面溫度為T₁與T₂的條件下，板內(nèi)溫度分布圖4所示，其函數(shù)形式為：

板內(nèi)的熱流密度在不同x處是不同的，在x=0，x=L與x=L/2處的q₀、q_L與q_L/2與熱導(dǎo)率為常數(shù)的有熱源平板計(jì)算公式相同。

有效熱導(dǎo)率雙層復(fù)合材料平板

（1）熱導(dǎo)率分別為常數(shù)λ₁與λ₂的情形

兩層板內(nèi)的熱流密度為：

把兩層材料視為一種材料，可表示為：

其中λ'為有效熱導(dǎo)率：

（2）熱導(dǎo)率分別為常數(shù)λ₁=λ₀₁ a₁與λ₂=λ₀₁ a₂的情形

由前面分析可知，當(dāng)a1>0與a2<0時(shí)，板內(nèi)的溫度分布曲線如圖5所示，板內(nèi)的熱流密度為：

當(dāng)把雙層材料復(fù)合平板視為一塊平板時(shí)，則有：

其中λ₁'、λ₂'與λ'分別為：

又稱導(dǎo)熱系數(shù)，反映物質(zhì)的熱傳導(dǎo)能力，按傅立葉定律（見熱傳導(dǎo)），其定義為單位溫度梯度（在1m長度內(nèi)溫度降低1K）在單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)單位導(dǎo)熱面所傳遞的熱量。

熱導(dǎo)率λ很大的物體是優(yōu)良的熱導(dǎo)體；而熱導(dǎo)率小的是熱的不良導(dǎo)體或?yàn)闊峤^緣體。λ值受溫度影響，隨溫度增高而稍有增加。若物質(zhì)各部之間溫度差不很大時(shí)，在實(shí)用上對(duì)整個(gè)物質(zhì)可視λ為一常數(shù)。晶體冷卻時(shí)，它的熱導(dǎo)率增加極快。

各種物質(zhì)的熱導(dǎo)率數(shù)值主要靠實(shí)驗(yàn)測定，其理論估算是近代物理和物理化學(xué)中一個(gè)活躍的課題。熱導(dǎo)率一般與壓力關(guān)系不大，但受溫度的影響很大。純金屬和大多數(shù)液體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而降低，但水例外；非金屬和氣體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。傳熱計(jì)算時(shí)通常取用物料平均溫度下的數(shù)值。此外，固態(tài)物料的熱導(dǎo)率還與它的含濕量、結(jié)構(gòu)和孔隙度有關(guān)。一般含濕量大的物料熱導(dǎo)率大。如干磚的熱導(dǎo)率約為0.27W/(m·K)而濕磚熱導(dǎo)率為0.87W/(m·K)。物質(zhì)的密度大，其熱導(dǎo)率通常也較大。金屬含雜質(zhì)時(shí)熱導(dǎo)率降低，合金的熱導(dǎo)率比純金屬低。各類物質(zhì)的熱導(dǎo)率〔W/(m·K)〕的大致范圍是：金屬為50～415，合金為12～120，絕熱材料為0.03～0.17，液體為0.17～0.7，氣體為0.007～0.17,碳納米管高達(dá)1000以上。鉆石的熱導(dǎo)率在已知礦物中最高。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的高分子材料和納米材料不斷涌現(xiàn)出來。而對(duì)于各種新物質(zhì)新材料的熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)測定，將開啟一個(gè)全新與未知的領(lǐng)域，這必然會(huì)帶動(dòng)現(xiàn)代物理學(xué)科的一次新飛躍。同時(shí)也將為新型導(dǎo)熱材料和新型隔熱材料的開發(fā)與研究打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。此舉將對(duì)未來的空間探索活動(dòng)和海洋探索活動(dòng)提供強(qiáng)大的理論與物質(zhì)支持。人們希望得到高熱導(dǎo)率并且具有很好機(jī)械性能的材料，來解決電子產(chǎn)品的很重要的散熱問題，基于碳納米管的獨(dú)特性能，來自清華大學(xué)的研究人員制備出的高性能的碳納米管紙?jiān)趯碜鳛閷?dǎo)熱材料有很大的應(yīng)用前景。 2100433B