合金粉末的傳熱性能測(cè)試

1、合金粉末的傳熱性能測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆占す鈱?dǎo)熱儀的測(cè)試原理和軟件使用方法。掌握儲(chǔ)氫合金的比熱、熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱 系數(shù)的測(cè)試方法和操作步驟。二、設(shè)備儀器Netzsch LFA447 NanoFlash 激光導(dǎo)熱儀AccuPyc 1330型真密度儀TE124S電子分析天平；769YP-40C手動(dòng)壓片機(jī)；螺旋測(cè)微器；三、Netzsch LFA447 NanoFlash激光導(dǎo)熱儀構(gòu)造及工作原理圖9-7為Netzsch LFA447 NanoFlash激光導(dǎo)熱儀原理示意圖。4個(gè)試樣與標(biāo)準(zhǔn)樣品分 別放入不同的樣品架內(nèi)，然后加熱并測(cè)量樣品的比熱、熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)。打物爐于電策宿等滯信號(hào)農(nóng)生原巍圖9-7

2、Netzsch LFA447 NanoFlash激光導(dǎo)熱儀原理示意圖圖9-7中在一定的設(shè)定溫度T （由爐體控制的恒溫條件）下，由激光源或閃光氙燈在瞬 間發(fā)射一束光脈沖，均勻照射在樣品下表面，使其表層吸收光能后溫度瞬時(shí)升高，并作為熱 端將能量以一維熱傳導(dǎo)方式向冷端（上表面）傳播。使用紅外檢測(cè)器連續(xù)測(cè)量樣品上表面中 心部位的相應(yīng)溫升過(guò)程，得到類似于下圖9-8的溫度（檢測(cè)器信號(hào)）升高對(duì)時(shí)間的關(guān)系曲線:圖9-8閃光法試樣背面溫升曲線高到最大值的一半所需的時(shí)間，或稱t1/2），在理想情況下，光脈沖寬度接近于無(wú)限 小，熱量在樣品內(nèi)部的傳導(dǎo)過(guò)程為理想的由下 表面至上表面的一維傳熱、不存在橫向熱流， 外部測(cè)量

3、環(huán)境則為理想的絕熱條件、不 存在熱損耗（此時(shí)樣品上表面溫度升高至圖中 的頂點(diǎn)后將保持恒定的水平線），則通過(guò)計(jì)量 圖中所示的半升溫時(shí)間t50（定義為在接受光 脈沖照射后樣品上表面溫度（檢測(cè)器信號(hào)）升 由式：a = 0.1388 *（2 / t50 （d:樣品的厚 度）即可得到樣品在溫度T下的熱擴(kuò)散系數(shù)a。由于導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)存在著換算關(guān)系：入（T） = a （T） * Cp （T） *p （T）。在已 知溫度T下的熱擴(kuò)散系數(shù)a、比熱Cp與密度p的情況下便可計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)。其中密度 一般在室溫下測(cè)量，其隨溫度的變化可使用材料的線膨脹系數(shù)表進(jìn)行修正（同時(shí)修正樣品厚 度隨溫度的變化），在測(cè)量溫度

4、不太高、樣品尺寸變化不太大的情況下也可近似認(rèn)為不變。 比熱可使用文獻(xiàn)值、可使用差示掃描量熱法（DSC）等其他方法測(cè)量，也可在閃光法儀器中使用比較法與熱擴(kuò)散系數(shù)同時(shí)測(cè)量得到。對(duì)于比較法的原理簡(jiǎn)述如下：使用一個(gè)與樣品截面形狀相同、厚度相近、熱物性相近、表面結(jié)構(gòu)（光滑程度）相同且 比熱值已知的參比標(biāo)樣，與待測(cè)樣品同時(shí)進(jìn)行表面涂覆（確保與樣品具有相同的光能吸收比 與紅外發(fā)射率），并依次進(jìn)行測(cè)量，在理想的絕熱條件下，得到兩條測(cè)試曲線，測(cè)出兩次實(shí) 驗(yàn)的最大溫升及表征激光能量大小的信號(hào)，可得待測(cè)樣品的比熱為：Cp = Cp %d gamsam std m am Uam gtd式中，分別為Cpsam，Cpst

5、d待測(cè)和已知標(biāo)準(zhǔn)樣品比熱容，m為質(zhì)量，AT是最大溫升值， 是表征閃光能量大小的信號(hào)，腳標(biāo)std表示標(biāo)準(zhǔn)樣品，sam為樣品。四、試驗(yàn)原理測(cè)熱導(dǎo)率的方法可以分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩類。一般來(lái)講，穩(wěn)態(tài)法用來(lái)測(cè)量熱導(dǎo)率較 低的材料，非穩(wěn)態(tài)法的適用范圍更為廣泛。閃光法（FlashMethod）就是目前最為常用的非 穩(wěn)態(tài)法之一。本實(shí)驗(yàn)采用的方法就是閃光法。由于這種方法具有所用試樣小、測(cè)試速度快、 溫度范圍寬和材料種類廣等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為非穩(wěn)態(tài)法中應(yīng)用最廣和最受歡迎的方 法，大量的應(yīng)用于材料的熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定。閃光法的物理模型是：如果一束能量為Q的脈沖輻射被四周絕熱、勻質(zhì)、不透光、厚度 為L(zhǎng)的試樣正面

6、瞬時(shí)的均勻吸收，那么在試樣的背面將會(huì)產(chǎn)生一維熱流，從而引起背面溫度 升高。試樣為一般為圓形或方形薄片。根據(jù)另一面的溫度T隨時(shí)間t變化，可確定熱擴(kuò)散系假設(shè)激光脈沖提供的熱量被樣品均勻吸收，其進(jìn)入樣品的深度為h，則t = 0時(shí)刻樣品中溫度的分布為:圖9-9閃光法原理圖，0 x W hTS0) = 0，hxWL數(shù)，進(jìn)而再由此利用材料的比熱、密度算出熱導(dǎo)率。其原理見圖9-9。其中，Q為單位面積吸收的能量，L為樣品厚度，且試樣周圍熱損失很小以至可以忽略時(shí)可以認(rèn)為側(cè)面絕熱，可用一維導(dǎo)熱微分方程dT(x,C) _ 8叮(:U)dtdx2，來(lái)描述其物理過(guò)程，其中，&就是試樣材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，cm2/seco從

7、上述微分方程，結(jié)合初始條件可以解出t時(shí)刻樣品中的溫度分布:f 、 Q rigx SlNW力 f L)廠疽 * 函官(1)-1 + 2 c：:： s-二mexpi； :.： j) pc 決2_IK7Fr 2 / 2_12_I由于h是個(gè)小量，所以泗（尻fhe尻口。又由于“exp”項(xiàng)的存在，我們可以只取方程的前幾項(xiàng)就足夠了。因此，x=L處的溫度變化近似可以表示為：=一馬1+趨（-項(xiàng)巳頃與馬田 pcm-i（2）從方程（1），我們可以得到樣品表面最大的溫度變化為:則有設(shè)現(xiàn)在，圖9-10閃光法試樣背面溫升曲線（3）W)=l+2Z(-iy exp(2(4)和3的關(guān)系見圖9-10。圖中顯示的是樣品背面（即背對(duì)

8、激光脈沖的一面）的溫度變化（假定沒(méi)有熱量損耗）。在圖9-10中，3 =1.38處的，所以可以從方程得到熱擴(kuò)散系數(shù)的表達(dá)式為：（5）其中，是在激光脈沖照射下樣品背面達(dá)到最大值一半時(shí)的時(shí)間。由方程（5），可以看到只要 知道了樣品厚度L（cm）和（sec），就可以得到熱擴(kuò)散系數(shù)，而并不需要知道激光脈沖提供 的熱量值Q（J/cm）。需要重申的是，上述處理過(guò)程要滿足的物理?xiàng)l件是：試樣面積厚度，則側(cè)面散熱可以 忽略，可視為一維熱流；試樣溫升小，則向環(huán)境的散熱可忽略不計(jì)；試樣材料均勻；試樣 面受光輻照，在極薄層內(nèi)吸收并轉(zhuǎn)化為熱量；光輻照時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱量在試樣內(nèi)傳播的時(shí)間 等等。五、實(shí)驗(yàn)步驟1 .首先將合金研

9、磨成100M m的細(xì)粉進(jìn)行壓塊，制成12.5X2 （mm）的圓柱體樣品:合金樣品直接壓塊成型。通過(guò)電子分析天平進(jìn)行樣品稱重，通過(guò)螺旋測(cè)微器測(cè)量樣品的直徑和厚度，計(jì)算樣 品的體積，然后算出樣品的密度。在樣品上噴涂一層石墨涂層，增加激光束的能量吸收率，使之和標(biāo)樣有同樣的吸收 率。將被測(cè)樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品放入不同的樣品架內(nèi)，開始加熱并測(cè)量樣品的比熱、熱擴(kuò)散 系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)。表9-1合金粉末的傳熱性能數(shù)據(jù)表試驗(yàn)溫度4060100150180熱擴(kuò)散系數(shù)，a比熱，Cp導(dǎo)熱系數(shù)，入所繪出數(shù)據(jù)圖與下圖類似，該實(shí)驗(yàn)由于涉及許多軟件操作，主要以老師演示操作為主，學(xué) 生操作為輔，但是數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)圖需要學(xué)生親自完成。K/gJ DC1098765432.4 .4 .3 .3 .3 .3 .3 .3 .3 .3oooooooooo)K m (zw數(shù)系熱導(dǎo) 6 5