一種測(cè)量柱狀隔熱材料熱物性的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種測(cè)量柱狀隔熱材料熱物性的方法，用于通過(guò)測(cè)量被測(cè)樣品中一個(gè)點(diǎn)的溫度變化，確定柱狀正交各向異性隔熱材料徑向熱導(dǎo)率、軸向熱導(dǎo)率和體積熱容的方法。該方法包括：建立了柱坐標(biāo)中特定形式熱干擾作用下的二維柱坐標(biāo)傳熱模型；采用Laplace變換、Hankel變換和Laplace反變換方法，獲得了正交各向異性隔熱材料內(nèi)的溫度變化在時(shí)域中的解析解；通過(guò)靈敏度計(jì)算，分析徑向熱導(dǎo)率、軸向熱導(dǎo)率和體積熱容的靈敏度系數(shù)的相關(guān)性以及參數(shù)對(duì)溫度變化的影響；建立相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集溫度的瞬態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)；采用L-M參數(shù)估計(jì)方法，同時(shí)確定被測(cè)正交各向異性隔熱材料的徑向熱導(dǎo)率、軸向熱導(dǎo)率和體積熱容。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：提供了一種實(shí)施方便、步驟簡(jiǎn)單的測(cè)量方法，能夠同時(shí)測(cè)量柱狀隔熱材料的徑向熱導(dǎo)率、軸向熱導(dǎo)率和體積熱容。
【專(zhuān)利說(shuō)明】-種測(cè)量柱狀隔熱材料熱物性的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料熱物性測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是提供了一種通過(guò)一次測(cè)量可同時(shí)獲 得多個(gè)熱物性參數(shù)的新測(cè)量方法，通過(guò)測(cè)量被測(cè)樣品中一個(gè)點(diǎn)的溫度變化，確定正交各向 異性隔熱材料徑向熱導(dǎo)率、軸向熱導(dǎo)率和體積熱容的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 材料熱物性參數(shù)是認(rèn)識(shí)、了解和評(píng)價(jià)材料傳熱性能優(yōu)劣最基本的物理參數(shù)之一， 是對(duì)特定熱傳導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行基礎(chǔ)研究、分析計(jì)算和工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。準(zhǔn)確測(cè)量熱物性參 數(shù)對(duì)能源利用、建筑節(jié)能、航空航天、新材料開(kāi)發(fā)、環(huán)境保護(hù)W及核能利用等多領(lǐng)域的發(fā)展 具有重要意義。纖維隔熱材料在各領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，其熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)隨制造工藝、材料結(jié) 構(gòu)、纖維鋪層方式和走向、添加劑含量的不同而不同，呈現(xiàn)出典型的各向異性特征。
[0003] 近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用的迫切需求，具有導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好、比強(qiáng)度 和比模量高、化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)良、初度和抗熱沖擊性高、耐熱性好等諸多優(yōu)點(diǎn)的纖維隔熱材料 材料，不僅在航空航天、核能利用等尖端工業(yè)中，而且在汽車(chē)造船、建筑橋梁、電子機(jī)械制 造、醫(yī)療體育等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。其熱物性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測(cè)量不僅是材料性能 評(píng)價(jià)及可靠性分析的根本基礎(chǔ)，也對(duì)提高材料的設(shè)計(jì)與制造水平、滿(mǎn)足我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó) 防領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)需求等方面都具有重要意義。
[0004] 發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視材料熱物性測(cè)量的重要性，相繼建立了完善系統(tǒng)的熱物性測(cè)量 機(jī)制和機(jī)構(gòu)，如美國(guó)的NIST、英國(guó)的國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL)、德國(guó)的物理技術(shù)研究院（PTB)、 俄羅斯科學(xué)院的高溫研究所和熱物理研究所等國(guó)家計(jì)量研究院等。另外，美國(guó)普渡大學(xué)、日 本慶應(yīng)大學(xué)、英國(guó)曼切斯特大學(xué)、德國(guó)慕巧黑工業(yè)大學(xué)和卡羅斯大學(xué)等高等院校都建有比 較齊全的材料熱物性測(cè)量裝置。該些發(fā)達(dá)國(guó)家相繼建立了本國(guó)的熱物性測(cè)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)的ASTM、德國(guó)的DIN、日本的JIS、英國(guó)的BS等，此外還有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO。我 國(guó)的熱物性測(cè)量始于上世紀(jì)五十年代，主要集中在科研院所和部分高校。中科院金屬研究 所、中科院上海娃酸鹽研究所、航天一院703所、建材院、中國(guó)計(jì)量科學(xué)院和清華大學(xué)、北京 科技大學(xué)等單位在材料熱物性測(cè)試方法的探索和實(shí)驗(yàn)裝置的研制方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)研 究。中科院上海娃酸鹽研究所早在1973年就成功研制出激光閃光法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，中 國(guó)計(jì)量科學(xué)院對(duì)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱儀、自動(dòng)隔熱量熱計(jì)進(jìn)行過(guò)詳細(xì)研究，中科院金屬研究所利用激 光閃光發(fā)對(duì)金屬材料的熱物性進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)研究，清華大學(xué)近年來(lái)在薄膜熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方 面卓有成效，北京科技大學(xué)最近在平面熱源法應(yīng)用于120(TC W上材料熱物性的測(cè)量方面取 得了顯著成果，另外其他高校、科研單位或企業(yè)或自制設(shè)備或購(gòu)買(mǎi)設(shè)備，也建立了適用于不 同材料的熱物性測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置。
[0005] 迄今為止，盡管?chē)?guó)內(nèi)外在熱物性測(cè)量方面進(jìn)行了大量卓有成效的研究，建立了具 有材料針對(duì)性的測(cè)試裝置并制定了相應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。但是，目前現(xiàn)有成熟的熱導(dǎo)率測(cè)量方 法如熱帶法、熱線(xiàn)法、hot-disk等，均基于各項(xiàng)同性材料的原理模型，不適于纖維材料的熱 導(dǎo)率測(cè)量。而保護(hù)熱板法、平面熱源法等，則需要多次變換測(cè)量方向才能確定材料不同方向 的熱導(dǎo)率，增加了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和誤差。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種通過(guò)一次測(cè)量就能準(zhǔn)確高 效地確定各向異性材料不同方向熱導(dǎo)率的測(cè)量方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于；提供通過(guò)一種通過(guò)一次測(cè)量可同時(shí)獲得正交各向各向異性纖 維隔熱材料徑向熱導(dǎo)率、軸向熱導(dǎo)率和體積熱容的方法。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，提供了一種通過(guò)測(cè)量被測(cè)樣品中的一點(diǎn)溫度來(lái)確定材料的正 交各向熱導(dǎo)率和體積熱容。
[000引本法發(fā)明的技術(shù)方案是：一種測(cè)量柱狀隔熱材料熱物性的方法，具體步驟如下：
[0009] 步驟1 ;對(duì)高度為0. 01m?0. 05m、半徑為0. 01m?0. 10m的柱狀正交各向各向異 性隔熱材料，建立了柱坐標(biāo)中特定形式熱干擾作用下的二維柱坐標(biāo)傳熱模型，其控制方程 如式1所示：
[0010]

【權(quán)利要求】
1. 一種測(cè)量柱狀隔熱材料熱物性的方法，該方法用于通過(guò)測(cè)量被測(cè)樣品中一個(gè)點(diǎn)的溫 度變化，確定正交各向異性隔熱材料徑向熱導(dǎo)率、軸向熱導(dǎo)率和體積熱容的方法，其特征在 于：對(duì)高度為0.Olm?0. 05m、半徑為0.Olm?0.IOm的柱狀正交各向異性隔熱材料，建立 了特定形式熱干擾作用下的二維傳熱模型；具體步驟如下： 步驟1 :建立特定形式熱干擾作用下，柱坐標(biāo)下正交各向異性隔熱材料的二維傳熱模 型的控制方程式式1，如下所示：
式中，T為溫度；Ttl為環(huán)境溫度；T為時(shí)間；X樣品徑向?qū)嵯禂?shù)、Xz為樣品軸向熱 導(dǎo)率、P為被測(cè)試樣品的密度，（；分別為樣品定壓比熱；q為平面熱源熱流密度A1為熱源 半徑；R2為試樣半徑，r為徑向坐標(biāo)，z為軸向坐標(biāo)；h為樣品與環(huán)境之間的綜合傳熱系數(shù)； 步驟2 :采用解析方法求解柱狀正交異性隔熱材料內(nèi)的溫度變化； 步驟3 :計(jì)算參數(shù)的靈敏度系數(shù)，進(jìn)行靈敏度分析； 步驟4 :實(shí)時(shí)采集溫度的瞬態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)； 步驟5 :應(yīng)用參數(shù)估計(jì)方法，確定柱狀正交異性隔熱材料的軸向熱導(dǎo)率、徑向熱導(dǎo)率以 及體積熱容量。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1的傳熱模型，隱含認(rèn)為是二維軸 對(duì)稱(chēng)模型，所述特定形式的熱干擾為階躍熱流。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2中的解析求解方法中，采用 Laplace變換和Hankel變換對(duì)控制方程、初始條件和邊界條件進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)解析 求解的方法，獲得了頻域中被測(cè)樣品內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的解析解，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行Laplace 反變換，最終求解得到正交各向異性隔熱材料內(nèi)的溫度變化在時(shí)域中的解析解。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3中的熱參數(shù)0」的靈敏度系數(shù)為 "無(wú)因次"的靈敏度系數(shù)：
式中：礦為靈敏度系數(shù)，0為待估參數(shù)，T為絕對(duì)溫度，i為整個(gè)測(cè)試時(shí)間范圍內(nèi)的第i個(gè)采樣時(shí)刻，j為第j個(gè)待估參數(shù)； 靈敏度分析包括下列步驟： a、 計(jì)算各熱特性參數(shù)的靈敏度系數(shù)； b、 確定待估參數(shù)的靈敏度系數(shù)之間的相關(guān)性。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟5中的參數(shù)估計(jì)方法是采用L-M方 法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，采用被測(cè)樣品中一個(gè)點(diǎn)的溫度變化數(shù)據(jù)對(duì)多個(gè)的熱物性參數(shù)進(jìn)行估計(jì)， 最終同時(shí)確定正交各向異性隔熱材料的徑向熱導(dǎo)率、軸向熱導(dǎo)率和體積熱容。
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK104502402SQ201410809304
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月23日
【發(fā)明者】樂(lè)愷, 張欣欣, 王曉東, 王亞飛, 孟境輝 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)