橡胶材料导热系数的测量方法

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1、橡胶材料导热系数的测量方法引言　　导热系数是表征物质热传导性质的物理量，对保温材料要求其导热系数尽量小，对散热材料要求其导热系数尽量大。由于导热系数与物质成分、微观结构、温度、压力及杂质含量密切相关，所以在科学实验和工程设计中，材料的导热系数常常需要由实验方法来具体测定。　　测量导热系数的实验方法一般分为稳态法与动态法两类。在稳态法中，一般采用热源先对样品进行加热，样品内部的温差使热量从高温处向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热速率和传热速率的影响而变动；当适当控制实验条件和实验参数，使加热和传热过程达到平衡状态时，被

2、测样品内部就能形成稳定的温度分布，我们可以利用这一温度分布关系计算出导热系数。而在动态法中，最终在被测样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，例如呈周期性的变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响。　　测量原理　　当温度不同的两物体接触或一个物体内部各处温度不均匀时就会发生热传导现象。1882年法国数学、物理学家约瑟夫·傅立叶给出了热传导的基本公式(傅立叶方程)：　　式中，dQ表示在dt时间内通过dS面元传递的热量，是沿dS面元法线处的温度梯度，k为物质的导热系数。负号表示热量传递方向与温度梯度的方向相反。　　厚

3、度为h，面积为S的圆柱形样品如图1。若维持其上下表面为恒定的温度T1和T2(T1>T2)，侧面绝热，根据(1)式，则在时间内沿S法线方向从上向下传递的热量为：  　　式中，为样品材料沿S法线方向的传热速率。样品的h,S及上下表面的温度T1和T2容易测出，问题的关键是测定。因为稳定导热时，样品的传热速率和散热速率是相等的，故在实验中增加一个紧贴样品的散热盘，其在稳定导热时的散热速率即为。　　测量方法　　三个螺旋头支撑着一个铜散热盘D，如图2所示。其上放置一个圆盘状待测样品C，样品C上安放一发热盘B。实验时发热盘B直接将热量通

4、过样品上表面传入样品C，散热盘D借电扇有效稳定地散热，使传入样品的热量不断从样品的下表面散出。由于发热盘B与散热盘D为良导体，且B的下表面、D的上表面与样品盘C的上、下表面密切贴合，故可以认为样品盘C上、下表面的温度分别与B、D盘的温度相同。当传入样品盘C的热量等于它散出的热量时，样品处于稳定导热状态，这时发热盘B与散热盘D的温度为定值(T1和T2)。　　测出稳定导热时的T1和T2，然后抽出样品盘C，让发热盘B的底面与散热盘D直接接触，使D的温度上升20℃左右，移去加热盘B，将样品盘C(样品为金属时用绝缘板)覆盖在散热盘D

5、上，使之自然散热。测出散热盘在T2附近的冷却速率，可取：　　式中，C2，m2分别为散热盘D的比热容和质量。　　由(4)式估算散热速率时，计入的散热面为散热盘的上、下表面和侧面，即它的总面积为。实验中稳态传热时，散热盘的上表面被样品盘覆盖，其实际散热面积为。考虑到物体的散热速率与它的散热面积成正比，将(4)式修正为   　　即为稳定导热状态下样品材料的传热速率。　　本实验采用热电偶与数字电压表来测量样品上、下表面的温度。记热电偶的温差系数为α，当热电偶的高、低温端温度为T和T0时，其温差电动势E=α(T-T0)。保持冷端T0

6、=0℃，则E=αT，于是有　　把(5)，(6)，(7)式带入(3)式得　　式中R为样品盘的半径，E1、E2为稳定导热时样品盘上、下表面的温差电动势，为稳定导热时，散热盘温差电动势在E2附近的下降速率。　　当测量金属的导热系数时，T1和T2的值为稳定导热时金属样品上下表面的两个温度(金属样品上下表面有可供插热电偶的小孔，如图3所示)，此时散热盘D的温度记为T3。测T3的值时，可在T1和T2值达到稳定时，将上面测T1或T2的热电偶移下来测量。此时有：　　测量过程　　如图4所示，将待测样品放在发热盘B和散热盘D之间，松紧适中。　

7、　参照图2、图5连接好仪器。发热盘B和散热盘D(或待测金属的上、下端)侧面都有供安插热电偶的小孔，将热电偶的高温端尽量深地插入小孔，低温端插入制冷仪后面板的制冷输出孔，如图6所示。　　数字电压表调零。打开数字电压表的电源开关，将数字电压表与导热系数测定仪的连线在数字电压表端V断开，旋转调零旋钮Q调零，然后再接好连线。　　将导热系数测定仪的电源开关G打到220Ｖ位置，给发热盘B加热。打开风扇电源H。通过切换K键，用数字电压表跟踪发热盘B和散热盘D的温度变化(显示为毫伏数)，其中读数变化较快者为发热盘B的温差电动势。当发热盘B

8、的温差电动势达到４.00mV时，将导热系数测定仪的电源开关G打到110Ｖ位置，继续对发热盘B加热。　　电压降至110V后，每隔５分钟读取一次样品上、下表面的温差电动势ε1和ε2(通过调节电键K切换)，记录在表１中。测得若干组数据后，注意将每组数据与上一组相比较，若相邻两次读数相差不大(<0.03mV)，