本發(fā)明涉及多孔粉末材料熱導(dǎo)率測量領(lǐng)域，尤其是基于一維導(dǎo)熱原理的多孔粉末材料熱導(dǎo)率測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

導(dǎo)熱系數(shù)，又稱熱導(dǎo)率，是表征材料導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用價值，諸如保溫材料、火電廠的煤粉等，對其導(dǎo)熱性能的有效評估對其在工程的實際應(yīng)用有很好的科學(xué)意義。熱導(dǎo)率的測量一直以來都受到廣大科研工作者的關(guān)注，隨著技術(shù)的進(jìn)步，多種新型多孔粉末材料相繼出現(xiàn)。對這些材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行有效的測量對于其在工程實踐中的應(yīng)用具有極大的意義。目前，對于塊狀固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量較為成熟的主要是3ω技術(shù)。但是，對于粉末材料的熱導(dǎo)率的測量，上述方法存在不足。3ω法測量材料的熱物性時，其影響區(qū)域很小，無法準(zhǔn)確的測量粉末材料的導(dǎo)熱系數(shù)；除此之外，3ω法測量時需要制備專門的金屬傳感器，制作成本高，制作工藝復(fù)雜，還需使用鎖相放大器，數(shù)據(jù)處理也較為繁瑣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術(shù)中多孔粉末材料測量裝置成本較高，測量方式精度低的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于一維導(dǎo)熱原理的多孔粉末材料熱導(dǎo)率測量裝置及方法。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

基于一維導(dǎo)熱原理的多孔粉末材料熱導(dǎo)率測量裝置，包括數(shù)據(jù)采集儀、真空腔1以及設(shè)置在真空腔1內(nèi)的支撐臺2和測量單元；支撐臺2為工形結(jié)構(gòu)，包括頂板、底座和支撐桿，頂板與支撐桿之間通過滑軌滑塊結(jié)構(gòu)連接，頂板可沿支撐桿高度方向移動；頂板朝向底座的一面上設(shè)有加熱單元3；測量單元包括熱導(dǎo)率已知的第一已知樣品5、第二已知樣品7和熱導(dǎo)率未知的待測樣品粉末；第一、第二已知樣品均為豎直放置的圓柱體，第二已知樣品7底部固定在底座上，頂部開有圓形凹槽6；第一已知樣品5頂部與加熱單元3相連，底部伸入凹槽6內(nèi)；第一已知樣品5底部、第二已知樣品7頂部和凹槽6側(cè)壁形成的圓柱形空腔作為放置待測樣品粉末的樣品槽，第一、第二已知樣品的中軸線相重合，且第二已知樣品7的直徑與凹槽6的內(nèi)徑相等；第一、第二已知樣品上延長度方向間隔均勻的設(shè)有熱電偶8，所述熱電偶8的輸出端與數(shù)據(jù)采集儀的輸出端相連。

進(jìn)一步的，所述加熱單元3為紫銅制成的加熱板，其表面貼有薄膜加熱器。

進(jìn)一步的，所述真空腔1內(nèi)壁上鍍有輻射屏。

進(jìn)一步的，所述真空腔1底部設(shè)有航空插頭接口9和真空分子泵接口10，真空分子泵接口與外接抽真空泵相連，在真空腔1內(nèi)形成真空狀態(tài)；航空插頭接口9的輸入端與熱電偶8相連，輸出端與數(shù)據(jù)采集儀的輸入端相連。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)采集儀為Agilent34970A數(shù)據(jù)采集儀。

本發(fā)明還提供基于一維導(dǎo)熱原理的多孔粉末材料熱導(dǎo)率測量方法，包括步驟：

(1)構(gòu)建如權(quán)利要求1至5任意一項所述的基于一維導(dǎo)熱原理的多孔粉末材料熱導(dǎo)率測量裝置；

(2)取質(zhì)量為M的待測樣品粉末放置在樣品槽中，調(diào)節(jié)支撐架使第一已知樣品5底部與待測樣品粉末充分接觸；

(3)通過熱電偶8采集第一、第二已知樣品上各個位置的溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集儀；

(4)將數(shù)據(jù)采集儀采集到的溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)入LabVIEW軟件中，LabVIEW軟件基于溫度數(shù)據(jù)，以第一已知樣品5頂端為原點，以第一已知樣品5長度方向為x軸，以溫度為y軸，構(gòu)建溫度分布曲線；溫度分布曲線延x軸方向分為三段，其中第一段和第三段分別為第一、第二已知樣品高度方向上的溫度分布曲線，第二段為待測樣品粉末沿高度方向的溫度分布曲線；

(5)計算待測樣品粉末的堆積密度ρ為：

$\mathrm{\ρ}=\frac{M}{V}$

$V=\frac{\mathrm{\π}(H-L)\×D^2}{4}$

其中，D為所述凹槽6內(nèi)直徑，H為凹槽6的高度，L為第一已知樣品伸入凹槽6的長度，V為所述待測樣品粉末的體積；

(6)以ΔX為取樣間隔分別從相鄰的兩條曲線上取出一段曲線，設(shè)取出的兩段曲線中，已知樣品曲線兩端的溫度差為ΔT₁，待測樣品粉末曲線兩端的溫度差為ΔT₂；根據(jù)一維導(dǎo)熱樣品間的熱流相等的原理，計算待測樣品粉末在堆積密度ρ下的熱導(dǎo)率：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_1\×\mathrm{\Δ}T}{\mathrm{\Δ}X}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2\×{\mathrm{\ΔT}}_2}{\mathrm{\Δ}X}$

其中，λ₁為已知樣品的熱導(dǎo)率，λ₂為待測樣品粉末的熱導(dǎo)率

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：

本發(fā)明提供測量裝置和方法可用于研究不同粒徑的粉末在不同堆積密度時的導(dǎo)熱性能，實用性好，操作簡單；支撐臺放置在真空環(huán)境中，可避免與空氣的對流換熱，也即只有軸向一維導(dǎo)熱，沒有徑向?qū)?，測量精度高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為熱電偶分布位置與對應(yīng)熱電偶測量溫度的關(guān)系圖；

圖中：1、真空腔，2、支撐臺，3、加熱單元，4、加熱單元電源引線，5、第一已知樣品，6、圓環(huán)圈，7、第二已知樣品，8、熱電偶，9、航空插頭接口，10、真空分子泵接口。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1所示為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)圖，包括真空腔1，真空腔1的腔體外殼材料為不銹鋼，內(nèi)壁附有輻射屏，在腔體底部有兩個孔，分別為航空插頭接口9和真空分子泵接口10。在腔體內(nèi)部包括支撐臺2、加熱單元3、加熱單元電源引線4、第一已知樣品5、圓環(huán)圈6、第二已知樣品7、熱電偶8；其中：

熱電偶8為K型熱電偶，其直徑為0.8mm，在本實施例中使用8根熱電偶按間隔4mm利用錫焊焊接于第一、第二已知樣品的表面，實現(xiàn)溫度的多點采集，K型熱電偶的輸出端通過航空插頭接口9連接Agilent34970A數(shù)據(jù)采集儀，實驗時的溫度數(shù)據(jù)在Agilent34970A中可直接讀出，K型熱電偶使用之前需校準(zhǔn)。

第一、第二已知樣品為圓柱狀，其材質(zhì)可以為不銹鋼、鋁、聚乙烯等，第一已知樣品直徑D₁＝20mm,，第二已知樣品直徑D₂＝22mm。第一、第二已知樣品與待測樣品粉末放置位置為“三明治”式，第二已知樣品頂端開有直徑為D₃＝20mm、深度為H＝10mm的凹槽，用于存放待測樣品粉末。

加熱單元3采用薄膜加熱器貼在紫銅板表面，紫銅板朝向下方的一面與第一已知樣品5頂端通過螺紋結(jié)構(gòu)連接，為實驗提供穩(wěn)定的熱源。加熱功率P＝4W，由Agilent B2901A提供直流電源。

支撐臺2用于放置第一、第二已知樣品和待測樣品粉末組成的測量單元，支撐臺2為工形結(jié)構(gòu)，包括頂板、底座和支撐桿，頂板與支撐桿之間通過滑軌滑塊結(jié)構(gòu)連接，頂板可沿支撐桿高度方向移動，支撐桿頂端套設(shè)有壓力彈簧和螺母，壓力彈簧底部與頂板上表面相連，頂部螺母相連，使用時通過旋轉(zhuǎn)螺母提供一定的壓力，保證第一、第二已知樣品與待測樣品粉末的充分接觸，加壓力彈簧是為了保證樣品間接觸面受力均勻，使得均勻熱流只會軸向傳遞，減小實驗的誤差。

使用上述基于一維導(dǎo)熱原理的多孔粉末材料熱導(dǎo)率測量裝置進(jìn)行測量方法為：

第一步：取一定質(zhì)量M(M一般為2-3g)的已制備好的待測樣品粉末材料置于樣品槽中，將第一已知樣品5壓在粉末上，通過旋支撐桿上的蝶型螺母擠壓壓力彈簧來使得樣品間接觸充分，此時利用游標(biāo)卡尺測得第一已知樣品露出樣品槽的長度，結(jié)合第一已知樣品本身長度可得到第一已知樣品插入凹槽6的深度L，那么待測樣品粉末所占的體積V為：

$V=\frac{(H-L)\×{D_3}^2}{4}\left({\mathrm{mm}}^3\right)$

此時，煤粉的堆積密度ρ為：

$\mathrm{\ρ}=\frac{M}{V}$

第二步：將真空腔1的底部閉合，開啟真空分子泵系統(tǒng)，對腔體進(jìn)行抽真空處理，減小實驗的誤差；

第三步，待真空泵顯示腔體的壓力為0.01Pa時，開啟電源加熱，形成穩(wěn)定的熱流，由于提前設(shè)定好了加熱功率，考慮到底座的散熱，故所測的溫度最后會穩(wěn)定。此時利用基于LabVIEW的分析采集到的溫度數(shù)據(jù)，溫度曲線如圖2所示。

圖中AB、CD段分別為第一、第二已知樣品的溫度曲線，BC段為待測樣品粉末的溫度曲線，在AB、BC段上各以間距為ΔX＝4mm取出一段曲線，設(shè)AB段上取出的曲線兩端點的溫度差為ΔT₁，BC段上取出的曲線兩端點的溫度差ΔT₂，由傅里葉定律：由于是一維導(dǎo)熱，樣品間的熱流相等，則有：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_1\×{\mathrm{\ΔT}}_1}{\mathrm{\Δ}X}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2\×{\mathrm{\ΔT}}_2}{\mathrm{\Δ}X}$

其中：λ₁為已知樣品的熱導(dǎo)率，λ₂為待測樣品粉末的熱導(dǎo)率。代入數(shù)據(jù)，計算出待測樣品在堆積密度為ρ下的熱導(dǎo)率λ₂。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。