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基于激光点热源法的固体材料热物性测试装置研发

苏国用  
【摘要】:材料的热物性值是表征材料载热能力的基本参数。不同类别的材料载热能力差异较大,其精确的热物性参数常通过实验的方法获得。目前,材料热物性参数测试方法的研究及其装置的设计,已发展成为一门基础学科,受到越来越高的重视。本文基于固体热传导理论中的非稳态传热模型,提出一种基于激光点热源非稳态传热模型测固体材料热物性参数的新方法。引入镜像热源理论修正绝热边界对测点温升的影响,建立了数学模型,利用数值解法结合计算机编程,计算材料热导率、热扩散率和比热容。研制了一套真空环境中激光点热源作用下的固体材料热物性测试系统。装置试样容器采用密闭设计,通过抽低真空环境实现绝热边界;将试样一角打磨,并涂抹石墨粉,利用激光发生器发射激光束照射,形成点热源作用区域;将贴片式温度传感器布置于被测试样的上表面,通过无线信号发射单元监测温度变化情况。选用硼硅玻璃(Pyrex7740)作为被测试样进行热物性测算,得到的热物性参数值与参考文献数值吻合,验证了本测试系统测算结果的有效性。对大理石、硅砖、硅藻土耐火砖的热物性综合测试结果分析发现,各材料导热系数的测算值与文献对照值偏差均小于5%,且导热系数最小的硅藻土耐火砖的多次测试结果的稳定性明显优于其他材料。通过对大理石和硼硅玻璃导热系数的测算结果进行不确定度评定发现,大理石的不确定度较高,而硼硅玻璃导热系数的不确定度较低。因此,本装置更适用于测试导热系数较小的固体材料(一般导热系数小于3.0W/(m?K)),且被测试样的导热系数越小,不确定度越低。图[35]表[14]参[63]


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