Способы определения теплофизических характеристик твердых тел, страница 4

Все методики определения коэффициента теплопроводности материала делятся на стационарные и нестационарные. Они насчитывают десятки разнообразных устройств, отличающихся конструктивно для областей высоких и низких температур, действием внешнего давления, наличием систем сопутствующих измерений электропроводности и других параметров, степенью автоматизации процесса измерения и обработки результатов. Здесь мы рассмотрим физические принципы некоторых наиболее распространенных методов и соответствующие устройства.

В интервале температур от нескольких градусов Кельвина и до 1000К широко применяется хорошо разработанный стационарный сравнительный метод. Его сущность заключается в определении количества теплоты, прошедшей через образец, из параметров эталонного образца, находящегося в идеальном контакте с измеряемым телом, строго одинаковым по размерам и форме с эталонным образцом.

Исследуемый образец 2 (рис.3.10.4) располагается между двумя эталонами 3 из окиси алюминия, кварца, нержавеющей стали или других материалов с известными теплофизическими характеристиками. Иногда между образцом и эталонами, эталонами и опорными стержнями 4 устанавливают серебряные блоки с вмонтированными термопарами для обеспечения надежного теплового контакта и точного измерения температур. Повышению надежности теплового контакта служит и шлифование контактных поверхностей, приложение внешнего давления, использование, когда это возможно, соответствующих смазок.

Рис.3.10.4. Принципиальная схема установки для измерения коэффициента теплопроводности сравнительным стационарным методом:

1 - теплоизолирующая засыпка; 2 - образец; 3 - эталоны; 4 - основание; 5 - нагреватель, обеспечивающий перепад температуры в образце; 6 - основные нагреватели равномерного температурного поля

Источником теплового потока, проходящего через эталоны и образец, служит электронагреватель 5, намотанный на высокотеплопроводное основание 4, секционный нагреватель 6 обеспечивает равномерную фоновую температуру, в зависимости от величины которой и определяют теплопроводность испытуемого образца. Теплообмен за счет конвекции блокируется теплоизоляционной засыпкой 1, обеспечивающей дополнительное выравнивание температуры.

Температура определяется термопарами в нескольких точках с фиксированными координатами. Если условия опыта считать адиабатическими, то такой одномерный поток тепла легко определяется. Для эталонного образца количество прошедшего тепла,    а для измеряемого,  где S и h - площади сечения и высоты образца и эталона, а DТ - разность температур, обеспечиваемая дополнительным градиентным нагревателем 5. Если изготовить образец одинаковым по геометрическим размерам с эталоном, то искомая теплопроводность будет равна

                                                               (3.10.7)

          Из анализа особенностей методики измерения видно, что её точность зависит от степени "идеальности" теплового контакта, исключения тепловых потерь на боковое излучение и изотропности теплового потока, что нелегко реализовать для монокристальных образцов. Тщательная подготовка образцов и постоянный контроль за выполнением условия Q_эт = Q_об позволяет снизить погрешность измерения теплопроводности до уровня около 10%. Существенным ограничением возможностей метода является применимость образцов размерами h не ниже 8...10 мм и, следовательно, отсутствием возможности измерений пленочных объектов.