閃光法測不良導體熱導率實驗報告(北大)

1、閃光法測不良導體熱導率實驗報告一、 實驗目的1. 測量不良導體的熱導率。2. 了解一種測定材料熱物性能參數(shù)的方法。3. 了解熱物性參數(shù)測量中的基本問題。4. 學習正確使用高壓脈沖光源和光路調(diào)節(jié)技術(shù)以及用計算機控制實驗和采集、處理數(shù)據(jù)。二、 實驗儀器儀器包括閃光法熱導儀（包括高壓脈沖氙燈和光源、光學調(diào)節(jié)系統(tǒng)、待測樣品、P-N結(jié)溫度傳感器、放大電路、AD/DA卡、微機、軟件等）。本實驗裝置分為三部分：光學系統(tǒng) 測溫系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。裝置框圖見圖2所示。圖2 測量系統(tǒng)示意框圖1、光學系統(tǒng)包含高壓脈沖氙燈，氙燈電源，橢球反光鏡，樣品和樣品盒，氙燈及樣品的三維調(diào)節(jié)裝置。實驗所用的高壓脈沖氙燈形狀

2、為直管式。當電極兩端加高壓600-1000V，極間放電，發(fā)出耀眼的白光。本實驗就是利用氙燈的瞬間放電對試樣進行加熱。2、測溫系統(tǒng)它的作用是將其對溫度變化的響應以電壓形式輸出。為了能被微機識別，需將輸出信號放大。兩只溫度傳感器的作用分別是作為測溫元件和用于補償電路中。放大電路中所用放大器為低噪聲場效應運算放大器，信噪比較高，試樣為酚醛膠布板、大理石、瓷磚。3、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)實驗中利用D/A轉(zhuǎn)換功能觸發(fā)光脈沖，同時用A/D轉(zhuǎn)換功能采集由PN結(jié)溫度傳感器接收到的樣品背面的溫升信號，由微機屏幕顯示出溫升曲線。三、 實驗原理1. 傅里葉導熱定理和熱導率熱傳導是指發(fā)生在固體內(nèi)部或靜止流體內(nèi)部的熱量交換

3、過程為使問題簡化, 假設樣品為棒狀, 熱量沿一維傳播; 在棒上取微元xx+dx, 如圖中所示. 根據(jù)Fourrier導熱定律, 單位時間內(nèi)流過某垂直于熱流方向, 面積為A的熱量, 即熱流為:其中q為熱流, 表示等溫面上沿溫度降低方向單位時間內(nèi)傳遞的熱量; K為熱導率, 表示單位時間內(nèi)在單位長度上溫度降低1K時, 單位面積上通過的熱量;而在t時間內(nèi)通過截面A流入小體積元dV=Adx的熱量為：， 而小體積元升高溫度T所需要的熱量為：在無外界條件變化的情況下， 以上兩式應當相等， 聯(lián)立以上兩式， 可以得到：， 并可以由此推知熱流方程： 其中D=K/c為熱擴散率。該熱流方程的解將給出材料上各點溫度隨時

4、間的變化， 解的具體形式還將取決于邊界條件。2. 閃光法閃光法是給一個四周絕熱、厚度為L的薄圓片（要求圓片半徑遠大于厚度，這樣才可以忽略側(cè)面散熱，近似看成一維熱傳導問題）試樣加一脈沖的電流加熱熱流，在另一方面測出的溫度隨時間的變化關(guān)系，確定熱擴散率，從而計算出材料熱導率的一種測量方法。原理圖如上圖所示:假設有一束能量為的脈沖光在時照射在試樣表面，且并試樣均勻吸收，可以認為在距離表面的微小距離內(nèi)試樣升溫為并且， 如果以上式為邊界條件的話，得到在試樣背面處溫度可以表示為且當時，達到最大，有， 若定義：， ，則可以得到：，如下圖令，求得，對應的時間記為，可得熱擴散率 （1）從而有熱導率 （2）四、

5、實驗內(nèi)容1. 認識和調(diào)節(jié)測量系統(tǒng)a) 識測量系統(tǒng)：先不動手，認真仔細觀察測量系統(tǒng)的每個部分b) 調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)：實驗室已組裝好光路的光學系統(tǒng)。i. 調(diào)節(jié)氙燈的三維微調(diào)架上有刻線，以便較快調(diào)節(jié)光學元件的共軸，使氙燈的電極中心位置在距反光鏡底口約15 mm處。ii. 樣品已被事先裝入樣品架內(nèi)，調(diào)樣品架位置距反光鏡大口距離約為96.6 mm，則樣品位置距反光鏡大口106.6 mm。iii. 高壓脈沖電源已由實驗室接通氙燈陰、陽極。iv. 開啟計算機，了解數(shù)據(jù)采集的過程：在桌面上找到“閃光法熱導儀實驗系統(tǒng)”點擊兩下，則進入程序。從主菜單中選“文件”，在“文件”菜單中選“新建”項，則當前屏幕的主窗口中新開

6、一個子窗口，包括數(shù)據(jù)區(qū)和圖像區(qū)。再選擇主菜單中“數(shù)據(jù)”項中的“選項”，設置AD/DA卡參數(shù)，再選擇“采集與報警”，確定后，再打開主菜單中“數(shù)據(jù)”，點擊“開始采集”項，則窗口中顯示出實時采集的“溫升-時間”圖像。則系統(tǒng)在指令發(fā)出后延遲2s，自動采集數(shù)據(jù)，因未觸發(fā)高壓脈沖，氙燈不工作，數(shù)據(jù)曲線顯示的是背景噪聲。如果30s內(nèi)偏移量在0.008以內(nèi)說明系統(tǒng)可視作處在熱平衡，可以繼續(xù)下一步。2. 測量待測樣品的溫升曲線 （網(wǎng)上找到的資料圖，僅供參考）a) 開啟電源開關(guān)，用面版上的多圈電位器將高壓調(diào)到600V左右。在“采集與報警”中設置“外觸發(fā)脈沖”為“5V”，“新建”，“開始采集”，2s后高壓脈沖電源將

7、自動觸發(fā)氙燈打火輻照樣品，同時采集一幅“溫升-時間”圖像，這就是由樣品背面采集的溫升曲線。b) 間隔大約10分鐘，重復上述步驟。對膠布板和瓷磚分別測量3次，其中一次記錄修正前數(shù)據(jù)曲線的t12，計算試樣材料的熱導率。3次均用軟件對曲線做散熱修正，并從修正曲線上求出t12修正，計算試樣材料的熱導率修正。c) 對同一樣品在不加熱的情況下取其“溫度-時間”曲線，觀察由于觀景溫度的波動、二極管本身的熱噪聲等因素對測量結(jié)果的影響，并給出評價。五、 實驗結(jié)果1. 膠合板密度測量：類型數(shù)據(jù)平均值標準不確定度m/g40.8140.810.0053x/cm9.9309.9009.9429.9240.013y/cm

8、9.9029.8949.9009.8990.002z/mm3.0843.0803.0953.0860.005=mxyz=1.3461×103 kg/m3誤差分析：=m×m2+x×x2+y×y2+z×z2=2.9 kg/m3=1346±3 kg/m32. 膠合板的熱導率測量第一次T0TMT1/2t1/2 /s修正前1.40661.51941.46307.500T0修正TM修正T1/2修正t1/2修正 /s修正散熱系數(shù)（×10-3）修正后1.40661.54121.47397.9320.916第二次修正后0.58120.7116

9、0.64647.8800.475第三次修正后0.38900.54780.46847.9220.446t1/2修正=7.911 s(修正前）=1.38cL22t12=0.236 W/(m·K)(修正后）=1.38cL22t12=0.224 W/(m·K)3. 膠合板散熱系數(shù)手動計算t/s27.0028.0029.0030.0031.0032.00T/單位溫度1.51661.51571.51451.51311.51211.5102最小二乘法線性擬合可得，散熱系數(shù)Manu=1.263×10-3，與電腦自動生成的Auto=0.916×10-3相差較大，相對誤差約

10、30%。4. 瓷磚密度測量：類型數(shù)據(jù)平均值標準不確定度m/g214.55214.550.0053x/cm10.07210.03610.03810.0490.012y/cm10.06810.06010.06410.0640.003z/mm9.1089.2009.1589.1550.027=mxyz=2.3173×103 kg/m3誤差分析：=m×m2+x×x2+y×y2+z×z2=7.4 kg/m3=2317±8 kg/m35. 瓷磚的熱導率測量第一次T0TMT1/2t1/2 /s修正前0.19100.55900.37504.024T0

11、修正TM修正T1/2修正t1/2修正 /s修正散熱系數(shù)（×10-3）修正后0.19100.58720.38914.2251.225第二次修正后0.15790.54220.35004.2331.093第三次修正后0.18440.57330.37984.2201.239t1/2修正=4.226 s(修正前）=1.38cL22t12=0.525 W/(m·K)(修正后）=1.38cL22t12=0.500 W/(m·K)6. 瓷磚散熱系數(shù)手動計算t/s27.46728.50029.50230.56631.49932.495T/單位溫度0.55350.55190.5500

12、0.54850.54650.5452最小二乘法線性擬合可得，散熱系數(shù)Manu=1.681×10-3，與電腦自動生成的Auto=1.225×10-3相差較大，相對誤差約40%。7. 本底輻射的強度波動在±0.004的范圍內(nèi)，這樣的波動強度和所測量的量相比引入的誤差較小，由于測量時間較短，二極管的熱噪聲對于實驗造成的影響有限。因此可以說熱導率測量系統(tǒng)的穩(wěn)健性較高。另外，最終結(jié)果沒有計算不確定度，因為所有計算量，除薄片厚度外都至少有四位有效數(shù)字，而厚度只有三位，為主要誤差貢獻項，故其他項的誤差可以忽略。最終結(jié)果取三位有效數(shù)字。六、 思考題1. 原理上需要滿足a) 受熱時

13、間遠遠小于傳熱時間。實驗中使用閃光法保證前表面輻照時間很短，遠小于熱傳導的特征時間，這一點用脈沖電源保證。b) 一維熱傳導：為了使我們計算出的理論式（1）與（2）可以用，必須保證熱流方向基本垂直薄片。實驗中將樣品置于反光鏡的第二焦點前方，盡可能使的樣品表面均勻受熱。并且半徑遠大于厚度，使得側(cè)柱面散熱可以忽略。2. 由于傳感器在實驗中也會吸收熱量，對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，所以盡可能的做小，來減少對實驗的影響。3. 從實驗原理考慮，因為公式成立的基礎是照射以前材料溫度均勻，所以為了滿足這一條件，我們要盡可能等薄片整體降溫到室溫再進行下一次測量。從實驗條件上考慮，因為每次測量前必須滿足溫度偏移不超過0.

14、008，在薄片仍在降溫時顯然不滿足，所以要等其基本降到室溫再測。4. 應該是兩個溫差電偶協(xié)調(diào)工作的線性區(qū)。因為這個實驗測量的是相對溫度，且非常敏感。數(shù)據(jù)出了線性區(qū)就不準確了，這時應該換一個傳感器或者等體系整體降到室溫再測量。5. t1/2指上升至最高溫度一半所用的時間；熱導率反映物質(zhì)的熱傳導能力。等于單位溫度梯度在單位時間內(nèi)經(jīng)單位導熱面所傳遞的熱量。比熱是單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量，即單位質(zhì)量物體改變單位溫度時的吸收或釋放的內(nèi)能。初始溫度為在脈沖后曲線平滑位置的溫度，初始時間脈沖發(fā)生（t=0）的時間。6. 散熱修正必須進行的原因是，當樣品受光側(cè)將熱量向背側(cè)傳導的同時，背側(cè)向外界散發(fā)熱量，這會導致背側(cè)

15、熱電偶測得的溫度值并非準確地表達了由受光側(cè)傳導而來的熱量，這與實驗前提中假設的“樣品與外界環(huán)境絕熱”不符。為了使實驗結(jié)果準確，就必須對這以測量值進行散熱修正。根據(jù)實驗中，微機處理系統(tǒng)對溫升曲線的修正來看，散熱修正的方法應當是將可能的散熱值加回到實際的測量曲線上，使其更加符合“與外界絕熱”的條件假設。具體修正計算如下根據(jù)Newton冷卻定律， 當系統(tǒng)與環(huán)境之間的溫差不太大時，系統(tǒng)向周圍散失的熱量與系統(tǒng)和環(huán)境之間的溫度差及時間成正比，其數(shù)學表達式為：dTdt=k(T-T0), T0為環(huán)境溫度。那么，微小時間內(nèi)的溫度損失約為dQ2=MK(T-T0)dt，M為系統(tǒng)的熱容，于是，在每時間內(nèi)考慮同時從受光

16、側(cè)傳來的熱量， 則可以得到：dT=dQm=Qin-T-T0Kdt利用該公式，反向?qū)y量結(jié)果進行補償，便起到的散熱修正的效果。7. 由于氙氣燈的工作原理是利用高壓電脈沖來激發(fā)氙氣氣體，使其發(fā)光。在通電的瞬間，通過氙氣燈的強電流脈沖會產(chǎn)生一個電磁波脈沖，這個電磁波脈沖被溫度檢測和轉(zhuǎn)換電路捕捉到，形成了明顯的背景噪聲干擾，出現(xiàn)在溫升曲線上，而這個脈沖的方向是不定的，因而曲線上波峰和波谷都有可能出現(xiàn)。具體擺放位置應該盡可能使得進入和流出的電源線為雙線結(jié)構(gòu)，減小向外輻射的功率。8. 這個實驗最終結(jié)果的主要誤差，就各項來看，來自薄片的厚度，因為只有這一項是三位有效數(shù)字。另外，測量三次，每次的“半衰期”時間也有1%左右的誤差，所以這一項隨機誤差也會貢獻到結(jié)果的誤差?？傊?，最終結(jié)果的熱導率最多有三位有效數(shù)字。報告中沒具