金属导热系数的测量

实验原理

1、傅里叶热传导方程

导热系数（热导率）是反映材料导热性能的物理量。测定材料的导热系数在设计和制造加热器、散热器、传热管道、冰箱、节能房屋等工程技术及很多科学实验中都有非常重要的应用。

如图（一）所示。设一粗细均匀的圆柱体横截面积为，高为。经加热后，上端温度为，下端温度为，，热量从上端流向下端。若加热一段时间后，内部各个截面处的温度达到恒定，此时虽然各个截面的温度不等，但相同的时间内流过各截面的热量必然相等（设侧面无热量散失），这时热传递达到动态平衡，整个导体呈热稳定状态。法国数学家，物理学家傅里叶给出了此状态下的热传递方程

    （1）

是时间内流过导体截面的热量，叫传热速率。比例系数就是材料的导热系数（热导率），单位是。在此式中，、和、容易测得，关键是如何测得传热速率。

2、用稳态法间接测量传热速率

如图二所示，将待测样品夹在加热盘与散热盘之间，且设热传导已达到稳态。由（1）式可知，加热盘的传热速率为         （2）

为样品的直径，为样品的厚度。

散热盘的散热速率为

                                       （3）

为散热盘材料的比热，为散热盘的质量，表示散热盘在温度是时的冷却速率。

（2）、（3）两式右边相等：

，

                       （4）

（4）式表明，无需直接测量传热速率，但必须测量散热盘在稳态温度时的冷却速率，测量冷却速率的方法是，在读取稳态温度、后。将样品盘抽走，用加热盘与散热盘直接接触，给散热盘加热，使散热盘的温度升高到高于的某个适当值；然后再移开加热盘，让散热盘在空气中作自然冷却，每隔一定的时间测一次温度值，即可求出在附近的冷却速率。但必须注意的是，散热盘在稳态时的冷却上表面是被样品覆盖着的，只有下表面和侧面散热，现在自然冷却所有的表面都是暴露的。考虑到冷却速率还与散热面积成正比，根据本实验使用的散热盘的尺寸。

3、用温差电偶将温度测量转化为电压测量

如图三所示，把两种不同的金属丝彼此熔接，组成一个闭合回路。若两接点保持在不同的温度 和 下，则会产生温差电动势，回路中有电流。如果将回路断开（不在接点处），虽无电流，但在断开处有电动势。这种金属导线组合体称为温差电偶或热电偶。在温度范围变化不大时热电偶产生的温差电动势与两接点间的温度差成正比，

，

为冷端温度，为热端温度，叫温差电系数。

在本实验中，使用两对相同的铜—康铜热电偶，相同，它们的冷端均放在浸入冰水混合物的细玻璃管中，也相同。当两个热端分别接触加热盘和散热盘时，可得样品上下表面的温度分别为：，，所以

或，

这样，式（5）可以写为

             （6）

（6）式就是本实验所依据的公式。和分别为样品的直径和厚度，和分别为散热铜盘的比热和质量，和分别为加热至稳态时通过热电偶测出的两个温差电动势（由数字电压表读出），为散热盘在时的冷却速率。

实验仪器

导热系数测定仪（TC—3）、杜瓦瓶、游标卡尺

实验内容

（1）先将两块树脂圆环套在金属圆筒两端（见下图），并在金属圆筒两端涂上导热硅胶，然后置于加热盘A和散热盘P之间，调节散热盘P下方的三颗螺丝，使金属圆筒与加热盘A及散热盘P紧密接触。

（2）在杜瓦瓶中放入冰水混合物，将热电偶的冷端插入杜瓦瓶中，热端分别插入金属圆筒侧面上、下的小孔中，并分别将热电偶的的接线连接到导热系数测定仪的传感器I、II上。

（3）接通电源，将加热开关置于高档，当传感器I的温度T₁约为3.5mV时，再将加热开关置于低挡，约40min。

（4）待达到稳态时（T₁与T₂的数值在10min内的变化小于0.03mV），每隔2min记录T₁和T₂的值。

（5）测量散热盘P在稳态值T2附近的散热速率，移开加热盘A，先将两测温热端取下，再将T2的测温热端插入散热盘P的侧面小孔，取下金属圆筒，并使加热盘A与散热盘P直接接触，当散热盘P的温度上升到高于稳态T₂的值约0.2mV左右时，再将加热盘A移开，让散热盘P自然冷却，每隔30s记录此时的T₂值。

（6）用游标卡尺测量金属圆筒的直径和厚度，各5次。

（7）记录散热盘P的直径、厚度、质量。

思考题

1、采用温差电偶测量温度的原理是什么？

2、具体分析本实验产生误差的原因可能有哪些。

    3、散热盘下方的轴流式风机起什么作用？若它不工作实验能否进行？

注意事项

1、  如用了导热硅胶，用后一定要搽干净。

2、  热电偶温度计用后不要拆下。

第二篇：金属导热系数表

金属导热系数表（W/mK)：

银 429

铜 401

金 317

铝 237

铁 80

锡 67

铅 34.8

一钢板厚度为3mm,面积为1×1㎡,初始温度均匀为300℃,放置于20℃的空气中冷却。已知钢板的导热系数为λ=48.5W/(m·k),热扩散率a=12.7×10-6㎡/s,板与空气之间的表面传热 ...

铝合金的导热系数：

ADC12, A360, A380的导热系数分别为：96.2/113/96.2(W/m.K)

* a/ v3 ~1 r7 S! f此系数只是理论上的，一切很标准的话。

& t; h2 _: L, f: Y+ \4 |% U具体情况具体对待

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常用材料导热系数(20℃)——λ(w/m.k)晨怡热管 2008-5-2 15:03:49 名称 λ(w/m.k) F4、F46 0.19~0.25

聚苯乙烯 0.04

PVC 0.14~0.15

PP 0.21~0.26

PE 0.42

有机玻璃 0.14~0.20

泡沫 0.045

木材 (横) 0.14~0.17

(纵) 0.38

散珍珠岩 0.042~0.08

水泥珍珠岩0.07~0.09

石棉 0.15

混凝土 1.28

85%MgO 0.07

玻璃 0.52~1.01

水垢 1.3~3.1

搪瓷 0.87~1.16

耐火砖 1.06

普通砖 0.7~0.8

银 419

锌 112

钛 14.63

锡 64

铅 35

镍 90

钢 36~54

铸铁 42~90

钝铜 381

黄铜 118

青铜 71

纯铝 218

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铸铝 138~147

不锈钢 17

空气

温度 [10^-2(w/m.k)]

100K 0.93

150K 1.38

200K 1.80

250K 2.21

300K 2.62

350K 3.00

400K 3.38

水

温度 w/m.k

0℃ 0.50

10℃ 0.58

20℃ 0.60

30℃ 0.62

40℃ 0.64

50℃ 0.65

60℃ 0.66

70℃ 0.67

80℃ 0.68

水蒸汽 0.023

硫酸

5~25% 0.51~0.47

25~50% 0.47~0.41

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导热系数 导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K,°C）,在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米?度（W/m?K,此处的K可用°C代替）。

导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。材料的含水率、温度较低时，导热系数较小。

通常把导热系数较低的材料称为保温材料，而把导热系数在0.05瓦/米?度以下的材料称为高效保温材料。

金属的热传导系数表：

银 429

铜 401

金 317

铝 237

铁 80

锡 67

铅 34.8

各种物质导热系数！

material conductivity K (W/m.K)

diamond 钻石 2300

silver 银 429

cooper 铜 401

gold 金 317

aluminum 铝 237

各物质的导热系数

物质 温度 导热系数 物质 温度 导热系数 亚麻布 50 0.09 落叶松木 0 0.13

木屑 50 0.05 普通松木 45 0.08～0.11 海砂 20 0.03 杨木 100 0.1

研碎软木 20 0.04 胶合板 0 0.125 压缩软木 20 0.07 纤维素 0 0.46 聚苯乙烯 100 0.08 丝 20 0.04～0.05 硫化橡胶 50 0.22～0.29 炉渣 50 0.84 镍铝锰合金 0 32.7 硬质胶 25 0.18 青铜 30 32～153 白桦木 30 0.15 殷钢 30 11 橡木 20 0.17

康铜 30 20.9 雪松 0 0.095

黄铜 20 70～183 柏木 20 0.1

镍铬合金 20 12.3～171 普通冕玻璃 20 1 石棉 0 0.16～0.37 石英玻璃 4 1.46 纸 12 0.06～0.13 燧石玻璃 32 0.795 皮棉 4.1 0.03 重燧石玻璃 12.5 0.78 矿渣棉 0 0.05～0.14 精制玻璃 12 0.9 毡 0.04 汽油 12 0.11

蜡 0.04 凡士林 12 0.184

纸板 0.14 “天然气”油 12 0.14

皮革 0.18～0.19 甘油 0 0.276

冰 2.22 煤油 100 0.12

新下的雪 0.1 蓖麻油 500 0.18

填实了的雪 0.21 橄榄油 0 0.165 瓷 1.05 已烷 0 0.152

石蜡油 0.123 二氯乙烷 0.147

变压器油 0.128 90%硫酸 0.354 石油 0.14 醋酸 18

石蜡 0.12 硝基苯 0.159

柴油机燃油 0.12 二硫化碳 0.144 沥青 0.699 甲醇 0.207

玄武岩 2.177 四氯化碳 0.106

拌石水泥 1.5 三氯甲烷 0.121

花岗石 2.68～3.35 氨气* 0.022

丙铜 0.177 水蒸汽* 0.0235～0.025

苯 0.139 重水蒸汽* 0.072

水 0.54 空气* 0.024

聚苯板 0.04 木工板 0.1-0.2

重水 0.559 硫化氢* 0.013

表2 窗体材料导热系数

窗框材料 钢材 铝合金 PVC PA 松木

导热系数 58.2 203 0.16 0.23 0.17

表 3 不同玻璃的传热系数

玻璃类型 玻璃结构(m) 传热系数

K-w/(m2-k)

单层玻璃

6.2

双层中空玻璃 5×9×5 3.26

5×12×5 3.11

一层中空玻璃 5×9×5×9×5 2.22

←-- 5×12×5×12×5 2.08

Lhw-E中空玻璃 5×12×5 1.71

参考资料：/question/43022667.html?si=1

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常用性能数据：

（1）材料牌号：6063；状态：T5；

（2）表面：不处理、阳极氧化或彩色喷涂；

（3）导热系数：209W/m-K；

（4）热膨胀系列数：23.4um/m-k

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铸铝技术分析 发布时间：2009-3-23 9:31:54 来源：中华铸造网——-中国铸造行业第一门户｜中国铸造网｜中国铸件网｜铸件供应｜铸造材料｜铸造信息中心 铝的密度小 , 塑性高 , 具有优良的电性能和热性能 , 表面有致密的氧化膜保护 , 抗腐蚀性能好。 铝在地壳中的蕴藏量大 , 据统计 , 地壳中铁占 4.7% ( 质量分数 , 下同 ) , 铝占 7.5% 。目前铝已经成为非铁金属中生产量最大的金属。

铸造铝合金是在纯铝的基础上加入其他金属或非金属元素 , 不仅能保持纯铝的基本性能 , 而且由于合金化及热处理的作用 , 使铝合金具有良好 的综合性能。铝及铝合金在工业上占有重要的地位 , 大量用于军事、工业、农业和交通运输等领域 , 也广泛用作建筑结构材料、家庭生活用具和体育用品等。

在这类合金中 Si 是主要合金化元素 , Si 改善合金的流动性 , 降低热裂倾向 , 减少疏松 , 提高气密性。这类合金具有好的耐腐蚀性能和中等的机加工性能 , 具有中等的强度和硬度 , 但塑性较低。 按合金中的 Si 含量多少 , 该系合金可分为共晶铝硅合金 (ZL102 、 YL102 、 ZL108 、 YL108 和 ZL109) 、过共晶铝硅合金 ( ZL1l7 和 YL1l7) 和 亚共晶铝硅合金 ( 其余合金 ) .

ZLI02是典型的二元共晶铝硅合金 , 合金中 Si 的质量分数为 10%-13% , 该合金具有优良的 铸造性能 , 但力学性能和切削加工性能较差。为了改善ZL102合金的室温和高温力学性能 , 加入一定量的 Mg, Cu 和 Mn, 成为ZL108合金 , 使热膨 胀系数小 , 耐磨性能提高。ZL109也是共晶铝硅合金 , 与ZL108合金相比 , 降低了 Cu 含量 , 提高了 Mg 含量 ,并且用 Ni 代替 Mn, 合金具有更好的耐热性。ZL108 和 ZL109合金广泛地用做内燃机的活塞。YL102 和 YL108主要用作压铸合金。

亚共晶铝硅合金中属Al-Si-Mg系的合金有ZL101 、 ZL101 A 、 ZL104 、 YL104 、 ZL114A 、 ZLl15 和 ZL1l6。这类合金在成分上的主要区别是 :ZL104合金加入了 Mn,ZL115合金加入了 Zn 和他 ,ZL1l6合金加入了 Ti 和 Be,ZL101A 和 ZL114A合金是用高纯度的精铝作原材料 , 减少杂质含量。这类合金具有良好的铸造性能 , 中等的力学性能和良 好的抗腐蚀性能 , 在工业中应用广泛。属于Al-Si-Cu系的合金有ZL105 、 ZL105A 、 ZL106 、 ZL11O 、 ZL111 、 ZL107 、 YL112 和 YL113。前五个合金含 有 Mg, 后三个合金无 Mg, 但 Cu 含量偏高。此外 在ZLI06和ZL111合金中还加入了少量的 Mn 和 TicZL110合金的 Cu 含量高 , Mg 含量低。 Al-Si- Cu 系合金具有良好的铸造性能 , 中等的力学性能 , 抗腐蚀性能与 Al-Si-Mg 系合金相比较差 ,YL112 和 YL113合金主要用作压铸合金 , 其他合金用于砂型铸造、金属型铸造和精密铸造等。

过共晶铝硅合金中 Si 的质量分数一般超过 15% 。美国的 390. 0 合金、德国的 KS281 合金和我国的 YL117 合金中 Si 的质量分数为 18% 左右 ; 我国的 ZL117 合金、德国的 KS280 合金中 Si 的质量分数为 21% 左右 ; 德国的 KS282 合金中 Si 的质量分数为 24% 左右。这类合金随着 Si 含量的增加 , 密度减小 , 热膨胀系数降低 , 硬度、耐磨性和体积稳定性相应提高 , 主要用作活塞材料 , 其主要缺点是难于机加工 , 对刀具的要求严格。

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ 常用性能数据：

（1）材料牌号：6063；状态：T5；

（2）表面：不处理、阳极氧化或彩色喷涂；

（3）导热系数：209W/m-K；

（4）热膨胀系列数：23.4um/m-k

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