一种测量宽温域材料热导率的装置及方法

技术领域

本发明涉及热导率测量技术领域，特别是指一种测量宽温域材料热导率的装置及方法。

背景技术

材料的热物性参数与工作环境温度密切相关。对于多孔陶瓷骨架材料和相变材料等非金属材料而言，晶格中自由电子的数目很少，所以主要的导热机构为晶格振动，即依靠声子进行热传导，在其他条件相同的情况下，热导率与声子平均自由程呈正比关系。当温度升高时，声子与声子的进行相互作用的可能性增强，声子散射加强，声子的平均自由程变化，从而导致高温下材料的热导率与室温下物性相比存在较大的差异性，室温环境下测量的材料的热物性参数显然并不能实际代表工作温度下材料的热物性。对于航空航天、太阳能热发电、余热回收等高温技术领域，实现不同温域下材料热导率的精确测量具有重要的应用价值。显热多孔陶瓷具有耐高温、热导率较高，价格低廉等优点，但储热量较低；相变材料利用相变潜热进行热储存，具有较高的储热密度，但导热能力较低差，且相变过程中会存在泄露等问题；多孔陶瓷作为骨架材料，相变材料作为芯材，即显热-潜热复合相变材料，可以进一步提高储热密度，加快储热速率，增强复合材料的导热性能，逐渐成为储能领域研究的重要材料，而对多孔陶瓷基相变复合材料传/蓄热性能测试更是成为相变储能领域发展的一个重要环节。常规的稳态热物性测试方法在测量高温下储能块状材料时具有较大的辐射误差，所以对复合相变材料的热导率开展精确测量十分困难。三次谐波法使用的样品很小，通过减小换热面积从而可以有效减小辐射对热导率带来的影响，但是陶瓷内部及表面存在纳米至微米级的孔结构，使得直接在材料表面沉积微型探测器的谐波法不在适用，而且在表面沉积探测器对材料会进行一定破坏，影响对材料进行其他机理分析，且限制了探测器的多次使用，所以对储能材料等块状材料不同温域下的无损和精确测量是一项十分有意义的发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测量宽温域材料热导率的装置及方法。

该装置包括线型加热器/探测器模块、耐高温基底、高温真空加热炉、电信号采集及处理模块，线型加热器/探测器模块设置在耐高温基底上，耐高温基底设有线型加热器/探测器模块一面压向待测材料样品，耐高温基底置于高温真空加热炉内，线型加热器/探测器模块连接电信号采集及处理模块；线型加热器/探测器模块包括线型加热器/探测器、第一电流引线件、第一探测电压引线件、第二探测电压引线件、第二电流引线件，电信号采集及处理模块包括信号发生器、微机控制与数据采集系统、信号处理系统、前置放大器、锁相放大器、可调电阻、第一电流引线端、第一电压引线端、第二电压引线端、第二电流引线端，信号处理系统包括转换器、第一运算放大器、第二运算放大器、第一低温漂电阻、第二低温漂电阻、第三低温漂电阻、第四低温漂电阻、第五低温漂电阻、第六低温漂电阻、第七低温漂电阻、第八低温漂电阻，高温真空加热炉包括保温材料、炉体支撑、炉前门、真空管道、罗茨泵、机械泵、加热元件、引线装置、管道法兰，炉体下部为炉体支撑，炉体内设置保温材料，炉体正面设置炉前门，炉体后部通过真空管道连接罗茨泵，炉体后部和真空管道之间设置管道法兰，炉体下部设置机械泵，炉体上部设置引线装置，保温材料内设置加热元件。

线型加热器/探测器模块和耐高温基底构成三次谐波法独立型传感器，三次谐波法独立型传感器基于非对称导热模型，以耐高温绝缘材料为传感器基底，采用掩模版物理沉积的方法，在表面光滑平整的基底上沉积金属探测器；探测器表面镀有一层耐磨绝缘保护膜，三次谐波法独立型传感器结构从下到上分别为耐高温基底、线型加热器/探测器模块、耐磨绝缘保护膜，其中，耐磨绝缘保护膜为氮化硅。

线型加热器/探测器的形状为线型细带四焊盘，四个焊盘上分别连接第一电流引线件、第一探测电压引线件、第二探测电压引线件、第二电流引线件，其中，线型细带长度范围为8-30mm，宽度范围为8-700μm，线型加热器/探测器的材料是镍、铂、金中的一种，电阻温度系数大，厚度为50-200nm。

第一电流引线件、第一探测电压引线件、第二电流引线件和第二探测电压引线件材料为钼线，熔点为2620℃，直径为300μm。

第一电流引线件、第一探测电压引线件、第二探测电压引线件和第二电流引线件分别连接第一电流引线端、第一电压引线端、第二电压引线端、第二电流引线端，第一电流引线端通过可调电阻连接第一运算放大器、信号发生器和微机控制与数据采集系统，第一电流引线端通过第二低温漂电阻连接第一运算放大器，可调电阻和第一运算放大器之间设置第一低温漂电阻，可调电阻和信号发生器之间设置转换器，信号发生器连接微机控制与数据采集系统，微机控制与数据采集系统和信号发生器均连接锁相放大器，第一电压引线端通过第三低温漂电阻连接第二运算放大器，第二电压引线端通过第四低温漂电阻连接第二运算放大器，第一运算放大器连接前置放大器，第一运算放大器和第七低温漂电阻并联，第二运算放大器连接前置放大器，第二运算放大器和第八低温漂电阻并联，前置放大器连接锁相放大器，第二电流引线件通过第二电流引线端连接至地。

高温真空加热炉采用电加热方式，最高工作温度高达1200℃；采用2X-70机械泵和罗茨泵的两级抽真空方式，实现高真空环境，真空环境压强<1Pa，整个外部炉体材料为不锈钢，炉膛材料采用氧化铝多晶纤维板，加热元件以悬挂式分别安装在炉膛内部四周；炉体上开设引线装置，用来将炉膛内部高温引线引出到外部设备中；双层炉体结构，在内部炉门处使用冷却水系统冷却，使用B型双铂铑热电偶，监视炉膛内部温度，根据PID控制器，控制调节加热功率，其中B型双铂铑热电偶测量温度范围为常温～1820℃。

具体包括步骤如下：

S1：将待测材料样品放置于三次谐波法独立型传感器表面，并使用样品夹进行固定，然后置于高温真空加热炉中。线型加热器/探测器模块与外部电信号采集及处理模块通过真空电极连接；

S2：启动真空系统，对高温真空加热炉进行抽真空，设定真空度<1Pa；

S3：当真空度达到要求后，启动高温真空炉的加热模块，设定温度，对炉内待测材料进行加热；

S4：当达到设定温度后，对线型加热器/探测器模块通入不同频率下的正弦交流电流，得到在不同频率下的传感器的三次谐波及基波电压，根据谐波法测试原理拟合得到传感器测量得到设定温度下材料的热导率；

S5：更改加热模块的设定温度，重复S1-S4，测得样品在宽温域下的热导率。

该测试方法适用温度范围：25℃～1000℃；

实验中主要利用温度波动的频率依赖性，利用温度波动与频率的关系计算得到材料的热导率，热导率的计算公式为：

其中，k—待测材料的热导率(W·m

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)本发明将金属传感器沉积到耐高温基底上，采用机械压紧方式，直接测量不用温度下材料热导率的测试方案，克服了以往热特性测试装置不能实现高温测量和探测器不能多次使用等缺点，保证材料在测试后的再利用性和探测器的重复利用；

(2)选用高精度直流电源(±15V，电源电压调整率小于等于0.5％，纹波小于峰值小于10mV)、差分放大器将原来的AMP03改为精度更高的AD620芯片、在电源输入端加入10pF、1μF、100μF电容，用于过滤高频与低频杂波信号，减小信号测量波动量，不同频率下谐波波动量小于0.0004mV，保证了不同温域下材料热导率的高精度测量。

附图说明

图1为本发明采用的三次谐波法独立型传感器结构示意图；

图2为本发明三次谐波法独立型传感器接触样品进行信号探测的示意图；

图3为本发明三次谐波法进行热导率的探测系统图；

图4为本发明的高温真空炉的结构三视图，其中，(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图。

其中：1-线型加热器/探测器模块，11-线型加热器/探测器，12a-第一电流引线件，12b-第一探测电压引线件，12c-第二探测电压引线件，12d-第二电流引线件，2-耐高温基底，3-待测材料样品，4-高温真空加热炉，51-信号发生器，52-微机控制与数据采集系统，53-信号处理系统，54-前置放大器，55-锁相放大器，R9-可调电阻，5a-第一电流引线端，5b-第一电压引线端，5c-第二电压引线端，5d-第二电流引线端，531-转换器，532-第一运算放大器，533-第二运算放大器，R1-第一低温漂电阻，R2-第二低温漂电阻，R3-第三低温漂电阻，R4-第四低温漂电阻，R5-第五低温漂电阻，R6-第六低温漂电阻，R7-第七低温漂电阻，R8-第八低温漂电阻，R9-可调电阻，41-保温材料，42-炉体支撑，43-炉前门，44-真空管道，45-罗茨泵，46-机械泵，47-加热元件，48-引线装置，49-管道法兰。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种测量宽温域材料热导率的装置及方法。

如图2和图3所示，该装置包括线型加热器/探测器模块1、耐高温基底2、待测材料样品3、高温真空加热炉4、电信号采集及处理模块5，线型加热器/探测器模块1设置在耐高温基底2上，耐高温基底2设有线型加热器/探测器模块1一面压向待测材料样品3，耐高温基底2置于高温真空加热炉4内，线型加热器/探测器模块1连接电信号采集及处理模块；

如图1所示，线型加热器/探测器模块1包括线型加热器/探测器11、第一电流引线件12a、第一探测电压引线件12b、第二探测电压引线件12c、第二电流引线件12d，电信号采集及处理模块包括信号发生器51、微机控制与数据采集系统52、信号处理系统53、前置放大器54、锁相放大器55、可调电阻R9、第一电流引线端5a、第一电压引线端5b、第二电压引线端5c、第二电流引线端5d，信号处理系统53包括转换器531、第一运算放大器532、第二运算放大器533、第一低温漂电阻R1、第二低温漂电阻R2、第三低温漂电阻R3、第四低温漂电阻R4、第五低温漂电阻R5、第六低温漂电阻R6、第七低温漂电阻R7、第八低温漂电阻R8，高温真空加热炉4包括保温材料41、炉体支撑42、炉前门43、真空管道44、罗茨泵45、机械泵46、加热元件47、引线装置48、管道法兰49。

线型加热器/探测器模块1和耐高温基底2构成三次谐波法独立型传感器，线型加热器/探测器11为线性细带形状，长度在8～20mm范围内，宽度在8～100μm范围内，材料为金属镍或金或铂，厚度为200nm，电阻温度系数为0.0064℃

三次谐波法独立型传感器主要测量原理是微型线型加热器/探测器11通入1ω的正弦交流电流后，线型加热器/探测器模块1在焦耳作用下产生2ω的热波信号，对待测材料样品3加热，根据样品产生热波频率与材料物性的关系，待测材料样品3产生频域热波，线型加热器/探测器11接收热波并转为相应的电压信号，通过金属引线将其输出到电信号采集与处理系统，间接获得温度波动信号。

电信号采集与处理系统接收来自三次谐波法独立型传感器探测到的基波信号和三次电压谐波信号，在主机控制下记录待测温度下传感器电阻R，不同频率f下的三次谐波电压U

图2、图3包含了电信号采集与处理系统的主要结构信息，包括信号发生器51、微机控制与数据采集系统52、信号处理系统53、前置放大器54、锁相放大器54、可调电阻箱R9、第一电流引线端5a、第一电压引线端5b、第二电压引线端5c和第二电流引线端5d。

引线端连接方法为：第一电流引线件121与第一电流引线端5a电连接，第二电流引线件124与第二电流引线端5d电连接，第一探测电压引线件122和第二探测电压引线件123分别与第一电压引线端5c和第二电压引线端5d电连接。

信号发生器51输出交流电压信号，经过转换器531转化为电流信号，该电流信号流经可调电阻R9，同时通过第一电流引线端5a连接独立型探测器的第一电流引线件12a，可调电阻箱的电压信号和探测器的电压信号分别与第一运算放大器532和第二运算放大器533连接，并将电压信号转化为差分信号后，汇流至前置放大器54后，输入到锁相放大器55。

对于谐波法测量单元53，可以细分为：转换器531，第一差分放大器532、第二差分放大器533、第一低温漂电阻R1、第二低温漂电阻R2、第三低温漂电阻R3、第四低温漂电阻R4、第五低温漂电阻R5、第六低温漂电阻R6、第七低温漂电阻R7、第八低温漂电阻R8、可调电阻R9。其中高精度差分放大器型号为AD620。

转换器连接信号发生器和可调电阻，用于将电压信号转化为电流信号；第一差分放大器连接至可调电阻箱两端，用于将可调电阻箱电压信号转化为差分信号；第二差分放大器连接至传感器的第一电压引线件与第二电压引线件，用于将探测器电压信号转化为差分信号；前置放大器分别连接第一差分放大器和第二差分放大器，用于将差分放大器的输出信号进行放大；锁相放大器连接前置放大器和信号发生器，用于电压信号的提取。

图4为高温真空炉的三视图，包含了炉体的主要器件。包括保温材料41、炉体支撑42、炉前门43、真空管道44、罗茨泵45、机械泵46、加热元件47、引线装置48、管道法兰49，炉体下部为炉体支撑42，炉体内设置保温材料41，炉体正面设置炉前门43，炉体后部通过真空管道44连接罗茨泵45，炉体后部和真空管道44之间设置管道法兰49，炉体下部设置机械泵46，炉体上部设置引线装置48，保温材料41内设置加热元件。完成多孔复合相变材料高温谐波法实验所需的高温和真空环境。其中，加热区尺寸350×350×350mm；保温材料采用多晶氧化铝纤维板；加热元件采用镍铑合金带(电阻丝加热方式)，升温范围25～1200℃；实验步骤主要包括首先启动二级真空系统，达到设定真空度要求，再设定所需温度，对待测材料进行升温，最后改变频率，结合谐波法测量单元，采集不同频率下的基波电压和三次谐波电压，根据谐波法理论公式，得到多孔复合相变材料在待测温度下的热导率。

数据处理模块采用谐波法测试原理的主要公式进行计算，该计算公式为：

其中，k—待测材料的热导率(W·m

k

P—探测器功率(W)，

R-加热/探测器的电阻(Ω，25℃)；

l-加热/探测器的长度(m)；

U

U

ω-角频率(rad/s)；

α

基于上述谐波法原理计算公式，该装置对多孔复合相变储能材料的详细测试方法如下：

(1)将三次谐波法独立型传感器放置于样品夹上，再将待测材料样品3放置于传感器顶部，确认贴合完好后，利用施加顶部压力功能将装置进行固定。需要注意的是，在固定传感器和样品时，不能使传感器产生大于15°形变角度，以免破坏传感器；

(2)将固定好的三次谐波法独立型传感器、待测材料样品3(包括固定装置)放置于高温真空炉腔内。传感器的第一电流引线件12a，第一探测电压引线件12b，第二探测电压引线件12c和第二电流引线件12d与高温真空炉膛内部的高温引线进行连接。需要指出的是，引线连接方式采用机械方式。第一电流引线件12a、第一探测电压引线件12b、第二探测电压引线件12c和第二电流引线件12d通过机械压紧方式与谐波法测量单元的第一电流引线端5a、第一电压引线端5b、第二电压引线端5c和第二电流引线端5d相连接，且通过真空电极与外部电路相连；

(3)启动二级真空腔系统，利用炉膛外部的机械泵和罗茨泵对炉体内空气进行抽真空操作。抽真空完成时，真空加热炉内压强可<1Pa。在进行抽真空操作前需检查真空泵电源系统有无异常；

(4)当真空度达到要求且维持恒定时，设定目标温度(25～1000℃)，启动高温真空炉加热模块，对样品进行加热，并启动炉体冷却水系统，对炉体进行保护，防止温度波动；

(5)待达到设定温度后，开启信号发生器51、微机控制与数据采集系统52、锁相放大器55，对传感器通入微弱正弦周期交流电流I

(6)根据谐波法测试原理拟合计算公式得到传感器测量得到设定温度下的待测材料的法相热导率，需要说明的是，计算公式中的探测器金属细带长度l、基底的热导率k

(7)改变设定温度后，重复步骤(1)～(6)，测得样品其它温度下的热导率；

(8)根据(5)、(6)步的测量结果，结合三次谐波法测试机理得出材料不用温度的热导率；

(9)考虑到基底材料的耐高温特性，待测材料所测温度范围：25℃～1000℃。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。