該怎麼測得銅的導熱係數?

利用瞬態平面熱源法(Transient Plane Source, TPS)測量銅(Copper)的熱導

設備與材料

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銅是一種用途極為廣泛且豐富的元素,可用於各種不同的應用。 它是一種高效的熱和電導體,也是一種有延展性的材料。 儘管銅長時間暴露在水和空氣中​​會氧化或與氧氣發生反應,但它不會像許多其他金屬那樣生鏽。 因此,銅是當今各種工業和技術應用中的重要組成部分。

了解材料的導熱率在許多不同的應用中至關重要。 有不同的方法來測試銅的導熱率。 在此應用中,我們將探索瞬態平面源 (TPS) 方法的不同修改,用於測量不同形狀和尺寸的銅樣品。

使用MP-1 瞬態平面熱源法(TPS)測量了三個不同形狀和尺寸的銅樣品的導熱率(W/m·K)、熱擴散率(mm2/s) 和體積比熱(MJ/m3K ) 。 TPS 方法中有一系列測試模組,這些模組根據其測試理論進行分組。 在此應用中,我們將使用各種測試模組:標準、平板和一維,以適應不同的銅樣品。

銅金屬

銅是一種天然存在的金屬元素。 這種可延展的金屬可以有多種不同的合金和成分。 它是一種軟金屬,這意味著純銅太軟而無法滿足某些應用。 人們發現銅可以與其他金屬(例如錫)一起硬化,形成合金青銅。 銅優異的合金特性提高了與其他金屬結合時的可用性。 這些合金具有專門的特性,不同的成分允許它們用於不同的應用。 銅和銅合金對於建築、汽車、電氣、管道和工業等許多不同行業至關重要。

Figure 1. Three samples of copper.
圖一. 銅樣品

MP-1測量平台

MP-1 旨在測試固體、液體、膏體和粉末的絕對導熱係數(W/m·K)、熱擴散係數(mm2/s) 和比熱(MJ/m3K),並結合瞬態特性的強大組合。瞬態平面熱源法(TPS, ISO 22007-2)和瞬態熱絲法(THW, ASTM D7896-19)方法。

帶有 TPS 標準模組的 MP-1 用於測量各向同性材料的平均或整體導熱率和熱擴散率。 MP-1 TPS Slab 模組用於測量中高導熱係數(高達 1800 W/m·K)且厚度均勻(< 8 mm)的薄片材料的導熱係數。 MP-1 TPS 一維模組用於精確測量圓柱體或塊體形式的固體樣品沿長度(或“高度”)的熱導率,最高可達 1800 W/m·K。 測量可以是對稱的或非對稱的。 根據樣品屬性和尺寸選擇模組。

MP-1 with THW-TP and TPS-TP.
圖2. MP-1 搭配 THW/TPS 高溫爐(TP)

銅的導熱率

 為了使用瞬態平面源法(TPS) 測量銅的熱導率,將兩個銅樣品彼此疊置(對稱配置),並將 TPS 感測器夾在中間。 此 TPS 感測器既充當增加樣品溫度的熱源,又可作為記錄隨時間變化的溫度升高的「電阻溫度計」。 智慧型瞬態平面源 (iTransient) 應用程式用於確定每個銅樣品的最佳測量參數,以實現最佳的溫升和熱物理特性測量。

當感測器的半徑至少是 TPS 感測器半徑的兩倍時,進行標準 TPS 測量。 當樣品的半徑與 TPS 感測器大致相同時,進行一維 TPS 測量。 此模組假設熱量僅在一維流動。 執行 TPS 板測量時,絕緣體放置在頂部樣品上方和底部樣品下方。 這強制了邊界條件,使得兩個樣品的上緣和下緣都沒有熱傳遞。

測量結果

表1. 銅樣品的測量結果

表1 使用標準塊狀(Standard Bulk Module)、板狀(Slab Module)和一維模組(One-Dimensional)測量的三個銅樣品的熱導率 (W/m·K)。

結論

不同成分和尺寸的樣品的熱導率可能具有挑戰性。 TPS(例如標準、平板和一維)可高效、準確地測量不同類型的樣品。

 

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