Введение
Метод измерителя теплового потока (HFM) является хорошо известным и принятым методом определения теплопроводности изоляционных материалов, таких как EPS, каменная вата или стекловолокнистые плиты. Также с помощью HFM можно исследовать такие строительные материалы, как бетон, обладающий высокой теплопроводностью и жесткой структурой. Комплект приборов расширяет диапазон измерений до 2 Вт/(м∙К). В данном приложении подробно описывается комплект приборов и приводятся данные, полученные на Pyrex® с помощью HFM 436/3/1 (рис. 1). Его эффективность демонстрируется путем соотнесения данных с методикой анализа лазерной вспышки (LFA, рис. 2).
Набор инструментов
При испытании изоляционных материалов методом HFM тепловое сопротивление между образцом и пластинами HFM обычно пренебрежимо мало по сравнению с тепловым сопротивлением образца. В случае высокопроводящих и/или жестких образцов это предположение теряет силу. Даже если поверхности образца очень плоские и плоскопараллельные, на границе раздела всегда остаются воздушные зазоры small, что приводит к значительной разнице между температурами пластин и поверхности образца, а также к неоднородному тепловому потоку через образец. Чтобы избежать этих недостатков, необходим комплект приборов. Он состоит из двух внешних термопар и двух интерфейсных слоев (рис. 3). Интерфейсные слои улучшают тепловой контакт между пластинами и образцом, в то время как внешние термопары находятся в непосредственном контакте с поверхностью образца (рис. 4) и поэтому измеряют точные и "истинные" температуры поверхности (рис. 5).
Сравнение данных измерений на Pyrex® с помощью HFM с набором инструментов и метода LFA
Работоспособность комплекта приборов продемонстрирована на примере Pyrex®, однородного, химически стабильного и хорошо известного с 1960-х годов эталонного материала с теплопроводностью около 1,14 Вт/(м∙К) при 23°C [1].
Представленные данные были получены на образцах размером 300 мм x 300 мм x 20 мм с комплектом приборов и без него.libraДля установки датчиков теплового потока использовалась сертифицированная NIST плата из стекловолокна (1450D) без комплекта приборов в соответствии с ASTM C 518. Были протестированы три различных образца Pyrex (A, B, C) из одной партии. Два образца (1, 2) диаметром 12,7 мм и толщиной 2,5 мм также были подготовлены из той же партии для испытаний LFA. Измерения проводились с помощью прибора LFA467 Hyperflash.
В таблице 1 приведены результаты различных испытаний HFM и LFA при 23°C. Стандартное отклонение small (1,7%) в тестах HFM свидетельствует о хорошей воспроизводимости метода. Среднее значение теплопроводности 1,15 Вт/(м∙К) всего на 0,88 % отличается от среднего значения, полученного с помощью LFA и литературных данных. Это доказывает точность измерений HFM с помощью комплекта приборов.
Таблица 1: Теплопроводность Pyrex® при 23°C с использованием HFM и LFA
Метод | Образец/Измерение | Теплопроводность Вт/(м∙К) | Средняя теплопроводность Вт/(м∙К) |
|---|---|---|---|
| HFM | Пирекс A | 1.13 | 1.15 |
| Пирекс B | 1.17 | ||
| Пирекс C | 1.14 | ||
| HFM | Пирекс без комплекта приборов | 0.53 | 0.53 |
| LFA | Пирекс - 1 | 1.14 | 1.14 |
| Пирекс - 2 | 1.14 |
Без комплекта приборов высокое сопротивление теплового контакта и неизвестные температуры поверхности приводят к теплопроводности 0,53 Вт/(м∙К), что значительно ниже ожидаемого значения.
На рисунке 6 представлены результаты измерений от 10°C до 65°C с помощью HFM, LFA и литературных значений (ошибки ± 5%). Во всем диапазоне температур результаты HFM и LFA находятся в хорошем согласии с литературными значениями (максимальное отклонение 2,8 % - LFA и 3,9 % - HFM).
Резюме
Теплопроводность жестких материалов до 2 Вт/(м∙К) может быть надежно исследована с помощью HFM при условии точного измерения температуры поверхности. Это достигается с помощью комплекта приборов, который обеспечивает однородный тепловой поток и истинную температуру поверхности образца. Данные измерений HFM с помощью комплекта приборов отличаются высокой воспроизводимостью и хорошо согласуются с результатами, полученными с помощью метода LFA и литературных данных. Кроме того, длительная стабильность позволяет использовать Pyrex® в качестве материала для проверки эффективности HFM с комплектом Instrumentation Kit перед измерением неизвестных образцов с высокой проводимостью.