閃光法測熱導率

閃光法測熱導率實驗儀器：（注明規(guī)格和型號）光學系統(tǒng)：包括高壓脈沖氙燈、高壓脈沖電源、橢球鏡、樣品、樣品架和氙燈的三維調(diào)微器。表面溫度測量系統(tǒng)：表面溫度測量系統(tǒng)包括pn結溫度傳感器、放大電路、試樣等。數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)：包括微機、A/D和D/A轉化卡、軟件等。實驗目的：測量不良導體的熱導率。了解一種測定材料熱物性能參數(shù)的方法。了解熱物性參數(shù)測量中的基本問題。實驗原理簡述：導熱微分方程的建立和導出熱傳導是指發(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xTx+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:色一KA?遼dt dx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At時間內(nèi)通過截面A流入小體積元dV=Adx的熱量為：a2T dTAq=KA- -dx-At，而小體積元升高溫度AT所需要的熱量為：Aq'二cp?Adx- -Atax2 at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：aT”a2T 、 、 aT小a2T_cp =K? ，并可以由此推知熱流方程： —D? =0at ax2 at ax2其中D=K/cp為熱擴散率。該熱流方程的解將給出材料上各點溫度隨時間的變化，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。原理圖如右所示：假設有一束能量為Q的脈沖光在t=0圖8-2-2理論匕前升福仙踐圖8-2-2理論匕前升福仙踐|T(x,0)二Q/p-c-1(0<x<l)'T(x,0)二0 (1<x<L)J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T(L,t)=21+2S(-1)nexp(- Dt)pcL Ln=1且當t且當t7時，T(L,t)達到最大’有Tm=Q

pc1若定義：V(L,t)=TI：'),3=兀2Dt/L2，則可以得到：V=1+2蘭(-1)n?exp(-n2&)M n=1作圖如右所示：令V=1/2，求得1.38對應的時間記為t ，可得熱擴散率D=1.38L2/(k21)1/21/2從而有熱導率K=1.38pcL2/(兀21 )1/2實驗步驟簡述:陽極 玻璃泡 陰扱WS&24槪球反比鏡杓光蹄示息圖陽極 玻璃泡 陰扱WS&24槪球反比鏡杓光蹄示息圖實驗儀器中的幾個重要部件，如脈沖氙氣燈，橢球反光鏡的原理和結構圖如上所示1、 認識和調(diào)節(jié)測量系統(tǒng)認識測量系統(tǒng)調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)將測溫二極管與補償二極管專用線路接入放大電路。2、 軟件的使用開啟微機，找到"閃光法測熱導率"的快捷方式，雙擊進入主程序。從主菜單中選“文件-新建"項，在當期屏幕的主窗口中新開子窗口，包括數(shù)據(jù)區(qū)和圖像區(qū)。選擇主菜單中“數(shù)據(jù)-選項”，設置AD/DA卡參數(shù)，基本項都以設置好請不要隨意改動。打開主菜單中的“數(shù)據(jù)"，點擊"開始采集"項，在自動觸發(fā)模式下，大約2s的延遲，氙光閃光，同時出口中顯示出實時采集的"溫升-時間”圖像。3、 樣品與熱導率的測量將樣品正面正對光源，垂直在樣品加上。將溫度傳感器接入測量電路。在高壓脈沖電源關閉的前提下，按下電腦鍵盤上的F2鍵，記錄不加熱時的升溫曲線，觀察由于環(huán)境溫度的波動、二極管本身的熱噪聲等因素對測量結果的影響。打開高壓脈沖電源開關，當電源的電壓指示設為600V時，按下F2鍵，氙燈閃光，電腦自動記錄下樣品背面的升溫曲線。在原始升溫曲線上讀出升溫的最小和最大值，計算出平均值，并在曲線上找到平均值所對應的時間1/2。對曲線進行散熱修正，在修正曲線上讀出升溫的最小和最大值，計算出平均值，并在曲線上找到平均值所對應的時間t1/2，記下散熱常數(shù)。保存實驗曲線。每隔10min測一次，共測三次。對每一個樣品選一條原始升溫曲線，在達到最大升溫后的曲線下降部分讀取10個點，利用最小二乘法計算散熱常數(shù)，并與計算機程序的計算結果比較。更換樣品（實驗中用到的樣品有：樹脂膠布、大理石、瓷磚），重復步驟（1）~（9）。*注意事項:電路及微機機殼接地要良好高壓脈沖電路的電源接線柱若有裸露部分，則不能用手觸摸；使用完畢時，先關閉“高壓”開關，然后用手動鈕放電后再關閉電源開關在氙氣燈的駁接不正常時，不可以按“觸發(fā)”按鈕，否則會損壞電源每次測量結束后，應當?shù)却?0min再測下一次，避免上一次的余熱對本次測量造成不必要的誤差影響安裝和調(diào)試儀器時要注意光學儀器的安全使用注意保護高壓電源線和數(shù)據(jù)信號線，以免帶入外界的噪聲干擾原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理及誤差計算：計算導熱率K,計算導熱率K,有計算公式：K二1.38pcL2/（兀21 ）對于樣品丨(樹脂膠布)，有K1=0.233804K2=0.232042K3=0.233508Kavg=0.2331181/2對于樣品III(瓷磚)，有K1=1.101777K2=1.101777K3=1.105967Kavg=1.105967實驗中測得的數(shù)據(jù)如下,Original為原始數(shù)據(jù),Modified為經(jīng)過散熱修正后的數(shù)據(jù)SampleIOriginalnVmaxVminVmidt1/2(s)10.26640.10650.18657.7920.24960.08500.16737.8530.23770.08450.16117.91ModifiednVmaxVminVmidt1/2(s)10.26380.10650.18747.9020.25090.08500.16807.9630.23770.08460.16127.91SampleIIIOriginalnVmaxVminVmidt1/2(s)1-0.8273-1.0160-0.92172.532-0.7093-0.8943-0.80182.533-0.7043-0.8916-0.79792.52ModifiednVmaxVminVmidt1/2(s)1-0.8214-1.0159-0.91872.642-0.7037-0.8944-0.79912.643-0.6972-0.8915-0.79442.63其他相關的計算數(shù)據(jù)如下表:SampleI樹脂膠布SampleIII瓷磚c/(J.kg-1)1.0470.712p/(g.cm-3)1.333.1L/mm3.083.07思考題，實驗感想，疑問與建議：1.閃光法實驗中，對實驗曲線為什么必須做散熱修正？請考慮如何進行散熱修正并寫出進行散熱修正的具體做法和公式。散熱修正必須進行的原因是，當樣品受光側將熱量向背側傳導的同時，背側向外界散發(fā)熱量，這會導致背側熱電偶測得的溫度值并非準確地表達了由受光側傳導而來的熱量，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(約5C左右)，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：dT/dt=k(T-*),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，那么，在每時間內(nèi)考慮同時從受光側傳來的熱量，則可以得到：dT=dQ/m=[Qin]-(T-T0)Kdt利用該公式，反向對測量結果進行補償，便起到的散熱修正的效果。閃光法中，在脈沖光啟動的一瞬間，測量者從溫升曲線上會看到在其起始部分出現(xiàn)一個小峰或谷，試分析其原因。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換電路捕捉到