本發(fā)明屬于物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種獲得3d打印粉末熱導(dǎo)率的方法。
背景技術(shù)：
：導(dǎo)熱系數(shù)是基礎(chǔ)的物理化學(xué)數(shù)據(jù),在冶金、能源、化工等領(lǐng)域的工業(yè)設(shè)計(jì)中起著重要的作用.導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法很多，根據(jù)不同的測(cè)量對(duì)象和測(cè)量范圍有各種適用的方法。從傳熱機(jī)理上分，包括穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法；穩(wěn)態(tài)法包括平板法、護(hù)板法、熱流計(jì)法等；非穩(wěn)態(tài)法又稱(chēng)為瞬態(tài)法，包括熱線法、熱盤(pán)法、激光法等在粉末導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定中主要運(yùn)用的是熱線法。熱線法是在樣品中插入一根熱線。測(cè)試時(shí)，在熱線上施加一個(gè)恒定的加熱功率，使其溫度上升。測(cè)量熱線本身或平行于熱線的一定距離上的溫度隨時(shí)間上升的關(guān)系。由于被測(cè)材料的導(dǎo)熱性能決定這一關(guān)系，由此可得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)。這種方法測(cè)量時(shí)間比較短，所測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍一般是0.1w/mk到幾十。熱線法具有成本低，測(cè)量速度快，對(duì)樣品尺寸要求不太嚴(yán)格等特點(diǎn)；但是存在固有缺陷，缺點(diǎn)在于測(cè)試溫度范圍窄、分析誤差大、設(shè)備一次性投入大等等。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種獲得3d打印粉末熱導(dǎo)率的方法，突破測(cè)量條件的限制，將計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)與測(cè)試實(shí)際條件相結(jié)合，大大提高導(dǎo)熱率測(cè)量的效率和靈活性。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明包括以下步驟：步驟一，基于粉末的標(biāo)準(zhǔn)粒形和粒徑分布，自由混合，在確保粉末試樣密度不變條件下，采用三維設(shè)計(jì)軟件建立粉末自由混合的立體堆積模型；步驟二，采用剖分軟件，對(duì)樣品進(jìn)行三維剖分，剖分后模型包括粉末單元群、間隙單元群和夾板單元群；步驟三，對(duì)粉末單元群、間隙單元群和夾板單元群進(jìn)行物性參數(shù)、初始溫度、界面熱阻的設(shè)定；步驟四，根據(jù)有限差分基本傳熱方程進(jìn)行非平衡狀態(tài)下的能量傳遞模擬計(jì)算，動(dòng)態(tài)更新不同時(shí)刻的所有單元溫度值；步驟五，根據(jù)分析模型最底層所有單元平均溫度值的變化進(jìn)行計(jì)算終止判斷，當(dāng)該溫度值隨時(shí)間變化率為0時(shí)，說(shuō)明傳熱已經(jīng)進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程；步驟六，計(jì)算穩(wěn)態(tài)傳熱條件下單位時(shí)間從分析模型中傳導(dǎo)的熱量，得到總熱阻ra，進(jìn)而計(jì)算獲得粉末樣品的熱傳導(dǎo)系數(shù)。所述步驟一中，立體堆積模型中的粉末顆粒材質(zhì)與實(shí)際樣品粉末材質(zhì)相同，粉末空隙填充介質(zhì)材質(zhì)與實(shí)際樣品空隙填充介質(zhì)材質(zhì)相同。所述步驟二中，剖分軟件包括商用hypmesh軟件。所述步驟三中，將模型上表面設(shè)置為能量輸入面，下表面設(shè)置為能量輸出面，側(cè)表面設(shè)置為絕熱面，對(duì)上表面設(shè)置溫度為tup的恒溫?zé)嵩?，?duì)下表面設(shè)置溫度為tdn的恒溫?zé)嵩?，模型整體初始溫度設(shè)為tdn。所述步驟四中，有限差分基本傳熱方程進(jìn)行非平衡狀態(tài)下的能量傳遞模擬計(jì)算的具體方法如下，根據(jù)三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程：動(dòng)態(tài)更新不同時(shí)刻的溫度值，將等式左端非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)取向前差分，等式右端擴(kuò)散項(xiàng)取中心差分，并利用疊加原理便可得到下一個(gè)時(shí)層的單元溫度，由此來(lái)動(dòng)態(tài)更新所有單元的溫度值，式中τ為時(shí)間步長(zhǎng)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，其由所設(shè)置的單元物性參數(shù)所決定。所述步驟五中，分析模型輸出上下截面面積s，熱量傳輸時(shí)間步長(zhǎng)dt，穩(wěn)態(tài)傳輸能量δq，上鋁板與粉末區(qū)界面每個(gè)單元熱阻rui,j和下鋁板與粉末區(qū)界面熱阻rdi,j。所述步驟六中，計(jì)算穩(wěn)態(tài)傳熱條件下單位時(shí)間從分析模型中傳導(dǎo)的熱量的具體方法如下：根據(jù)從分析模型中傳導(dǎo)的熱量計(jì)算獲得算法模型的總熱阻ra，ra＝[dt·s·(tup-tdn)]/δq進(jìn)而由熱阻串聯(lián)公式得到粉末模型熱阻，rx＝ra-rup-rdn-rint-u-rint-d其中，rup和rdn按照傳熱計(jì)算公式獲得，rint-u和rint-d根據(jù)界面單元并聯(lián)計(jì)算獲得，rup＝l1/λup,rdn＝l2/λdn最終獲得粉末的導(dǎo)熱率，λx＝l/rx。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬的手段，基于已有的單質(zhì)熱傳導(dǎo)物性參數(shù)，對(duì)粉末樣品進(jìn)行傳熱過(guò)程的模擬仿真，獲得樣品粉料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，用模擬的方法獲得導(dǎo)熱系數(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于其可以獲得任意溫度點(diǎn)(溫度低于材料熔點(diǎn))的導(dǎo)熱系數(shù)，因?yàn)闇y(cè)量溫度可以在模擬軟件中選擇性設(shè)置，不受實(shí)際測(cè)量條件的制約并且開(kāi)啟多個(gè)進(jìn)程可以在同一時(shí)間內(nèi)獲取不同溫度的多組數(shù)據(jù)，極大地提高了導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量效率，降低了實(shí)驗(yàn)成本。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的流程圖；圖2為本發(fā)明中堆積模型圖；圖3為本發(fā)明中球體剖分模型圖；圖4為本發(fā)明中空隙剖分模型圖；圖5為本發(fā)明中實(shí)際計(jì)算物理模型二維圖；其中，①、鋁粉模型；②、上表面；③、下表面；④、側(cè)表面；l、被測(cè)粉末厚度；l1、上鋁板厚度；l2、下鋁板厚度。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。參見(jiàn)圖1至圖5，本發(fā)明包括以下步驟：步驟一，基于粉末的標(biāo)準(zhǔn)粒形和粒徑分布，自由混合，在確保粉末試樣密度不變條件下，采用三維設(shè)計(jì)軟件建立粉末自由混合的立體堆積模型，立體堆積模型中的粉末顆粒材質(zhì)與實(shí)際樣品粉末材質(zhì)相同，粉末空隙填充介質(zhì)材質(zhì)與實(shí)際樣品空隙填充介質(zhì)材質(zhì)相同；步驟二，采用剖分軟件，對(duì)樣品進(jìn)行三維剖分，剖分后模型包括粉末單元群、間隙單元群和夾板單元群；步驟三，對(duì)粉末單元群、間隙單元群和夾板單元群進(jìn)行物性參數(shù)、初始溫度、界面熱阻的設(shè)定，將模型上表面設(shè)置為能量輸入面，下表面設(shè)置為能量輸出面，側(cè)表面設(shè)置為絕熱面，對(duì)上表面設(shè)置溫度為tup的恒溫?zé)嵩?，?duì)下表面設(shè)置溫度為tdn的恒溫?zé)嵩?，模型整體初始溫度設(shè)為tdn；步驟四，根據(jù)有限差分基本傳熱方程進(jìn)行非平衡狀態(tài)下的能量傳遞模擬計(jì)算，動(dòng)態(tài)更新不同時(shí)刻的所有單元溫度值；根據(jù)三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程：動(dòng)態(tài)更新不同時(shí)刻的溫度值，將等式左端非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)取向前差分，等式右端擴(kuò)散項(xiàng)取中心差分，并利用疊加原理便可得到下一個(gè)時(shí)層的單元溫度，由此來(lái)動(dòng)態(tài)更新所有單元的溫度值，式中τ為時(shí)間步長(zhǎng)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，其由所設(shè)置的單元物性參數(shù)所決定；步驟五，根據(jù)分析模型最底層所有單元平均溫度值的變化進(jìn)行計(jì)算終止判斷，當(dāng)該溫度值隨時(shí)間變化率為0時(shí)，說(shuō)明傳熱已經(jīng)進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程；分析模型輸出上下截面面積s，熱量傳輸時(shí)間步長(zhǎng)dt，穩(wěn)態(tài)傳輸能量δq，上鋁板與粉末區(qū)界面每個(gè)單元熱阻rui,j和下鋁板與粉末區(qū)界面熱阻rdi,j；步驟六，計(jì)算穩(wěn)態(tài)傳熱條件下單位時(shí)間從分析模型中傳導(dǎo)的熱量，得到總熱阻ra，進(jìn)而計(jì)算獲得粉末樣品的熱傳導(dǎo)系數(shù)；根據(jù)從分析模型中傳導(dǎo)的熱量計(jì)算獲得算法模型的總熱阻ra，ra＝[dt·s·(tup-tdn)]/δq進(jìn)而由熱阻串聯(lián)公式得到粉末模型熱阻，rx＝ra-rup-rdn-rint-u-rint-d其中，rup和rdn按照傳熱計(jì)算公式獲得，rint-u和rint-d根據(jù)界面單元并聯(lián)計(jì)算獲得，rup＝l1/λup,rdn＝l2/λdn最終獲得粉末的導(dǎo)熱率，λx＝l/rx。剖分軟件包括商用hypmesh軟件。首先基于粉末的標(biāo)準(zhǔn)粒形和粒徑分布，考慮自由混合，在確保粉末試樣密度不變條件下(1.37g/cm^3)，運(yùn)用三維建模軟件(ug)建立球體堆積模型，如圖2所示，其中，粉末顆粒材質(zhì)設(shè)置為為鋁粉，粉末空隙填充介質(zhì)材質(zhì)設(shè)置為空氣。將所建立的三維模型切片分層得到輪廓數(shù)據(jù)再導(dǎo)入到專(zhuān)業(yè)軟件中進(jìn)行剖分，剖分后如圖3、4所示。本實(shí)驗(yàn)為獲得鋁粉在30℃、100℃、150℃下的導(dǎo)熱率，分別設(shè)置鋁的物性參數(shù)如表1所示，初始溫度設(shè)置如表2所示，經(jīng)模擬計(jì)算后，最終模擬結(jié)果與儀器測(cè)試結(jié)果基本一致如表3所示。表1鋁的物性參數(shù)表2初始溫度設(shè)置組別初始溫度頂層輸入溫度第一組3031第二組100101第三組150151表3最終結(jié)果當(dāng)前第1頁(yè)12