本发明涉及导热仪热损失计算技术领域，尤其涉及基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法。
背景技术：
针对热导率≥150w/(m.k)的多孔状高导热碳泡沫的热导率测试，目前还没有非常成熟的测试方法。为了实现该类材料的热导率测试，本领域技术人员开展了稳态测试装置研制工作。在稳态测试过程中，为了保证待测材料上、下表面温差的测量精度，一般要求温度差不小于10℃。考虑到样品的厚度一般在10mm～30mm之间，那么，在测试过程中，沿试样厚度方向需要通过的热流密度则在50000w/m2～300000w/m2，该热流密度对加热器的要求非常高，市面上常见的电阻加热器都无法满足要求。例如，常规的铸铜铜板电阻加热器的最大单位面积加热功率为45000ww/m2，直接用于加热高导热碳泡沫试样，将无法满足热流密度的最低需求。
在大温差热流计法导热仪中，为了实现300mm×300mm截面尺寸样品在100mm×100mm中心计量区域内的温度均匀性，样品上方的平板加热器采取了从中心到四周逐渐加密的宫形结构，以补偿样品侧壁面的热损失。该措施虽然能够有效提高了中心计量区内的温度均匀性，但是仍然无法完全实现均温。1000℃的高温试验表明，该区域内的温度不均性仍在2％～3％之间，该试验结果表明，该区域的四周仍然存在较大的热损失。
因此，当计算热导率的测量不确定度时，需要对中心计量区域内的侧壁面热损失对厚度方向有效热流的比值进行有效评估。但目前尚缺乏简洁有效的评估方法。
技术实现要素：
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法，用以解决现有技术缺乏简洁有效的快速评估试样中心计量区域侧壁面热损失占比方法的问题。
本发明实施例提供了基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法，所述方法包括以下步骤：
步骤s1：将试样放入导热仪中，控制试样热面中心点的温度稳定于热面温度设定值，同时控制试样冷面中心点的温度稳定于冷面温度设定值；
步骤s2：采集试样热面、冷面中心点的温度，以及热面、冷面的中心计量区域边缘温度；
步骤s3：基于步骤s2中采集的温度，得到试样的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估结果。
在上述方案的基础上，本发明还做出了以下改进：
进一步，所述步骤s3包括：
步骤s31：获取试样中心计量区域沿面内方向的热损失；
步骤s32：获取试样中心计量区域内沿厚度方向的有效热流；
步骤s33：将所述热损失与所述有效热流的比值，作为所述试样的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估结果。
进一步，在所述步骤s31中，根据以下公式获取所述热损失：
其中，λ表示所述试样的热导率；l表示所述试样的厚度；th0、tl0分别表示试样热面、冷面的中心点温度，所述中心计量区域为以试样中心为圆心、以r2为半径的圆形；r1取0.9-0.95％倍的r2；th2表示试样热面的中心计量区域边缘温度；tl2表示试样冷面的中心计量区域边缘温度。
进一步，在所述步骤s32中，根据以下公式获取所述有效热流：
进一步，在所述步骤s1中，通过冷却循环水机和冷却板控制试样冷面中心点的温度稳定于冷面温度设定值。
进一步，所述冷面温度设定值不超过设于所述试样下方的平面热流计的最高耐受温度值。
进一步，所述导热仪包括：真空单元、加热单元、原位测厚单元和信号采集处理单元，所述加热单元位于真空单元中，所述真空单元用于为加热单元提供气体压力和气氛可调可控的测试环境，所述原位测厚单元用于在测试过程中实时原位测量试样的厚度，所述信号采集处理单元用于采集试样热面、冷面中心点的温度、以及热面、冷面的中心计量区域边缘温度、试样热流密度以及试样厚度并计算得到热导率；
所述加热单元包括高温组件和低温组件，高温组件包括依次层叠的均温板、加热板和隔热层；沿逐渐远离加热板的中心的方向，所述加热板的加热温度逐渐升高；
所述均温板域所述低温组件之间用于放置所述试样。
进一步，所述低温组件包括依次层叠的支座、下冷板、导热胶垫和热流计压板，多个热流计嵌埋在导热胶垫朝向热流计压板的一侧。
进一步，通过启动所述加热单元，使得试样热面中心点的温度稳定于热面温度设定值。
进一步，所述试样的截面尺寸为300mm×300mm；所述中心计量区域为所述试样中φ100mm的圆形区域。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
本发明通过对大温差热流计法导热仪测试样品热导率的计算过程进行详细研究，充分考虑了当样品中心计量区域内的温度存在不均匀性时对侧壁面损失的影响，设计了本发明中的基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法，通过采集试样热面、冷面中心点的温度，以及热面、冷面的中心计量区域边缘温度，处理得到试样的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估结果。该方法的实现过程简单，需要采集的数据简单易得，同时能够非常方便地评估样品侧壁面热损失对热导率计算的影响程度，还方便对测量不确定度进行有效评估，能够填补现有技术中简洁、有效、快速实现试样中心计量区域侧壁面热损失占比评估的技术空白。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中提供的基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法流程图；
图2为本发明实施例中提供的试样结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
首先，本实施例提供了一种现有的导热仪的硬件结构，包括：真空单元、加热单元、原位测厚单元和信号采集处理单元，所述加热单元位于真空单元中，所述真空单元用于为加热单元提供气体压力和气氛可调可控的测试环境，所述原位测厚单元用于在测试过程中实时原位测量试样的厚度，所述信号采集处理单元用于采集试样热面、冷面中心点的温度、以及热面、冷面的中心计量区域边缘温度、试样热流密度以及试样厚度并计算得到热导率；加热单元包括高温组件和低温组件，高温组件包括依次层叠的均温板、加热板和隔热层；沿逐渐远离加热板的中心的方向，所述加热板的加热温度逐渐升高；均温板域所述低温组件之间用于放置所述试样。所述低温组件包括依次层叠的支座、下冷板、导热胶垫和热流计压板，多个热流计嵌埋在导热胶垫朝向热流计压板的一侧。通过启动所述加热单元，使得试样热面中心点的温度稳定于热面温度设定值。优选地，试样热面的热电偶布置方式是：均热板在中心点及中心计量区域边缘的多个点沿厚度方向打通孔，做出螺纹孔。把k型热电偶的端部用高温胶固定在一个中空的小螺栓中，热电偶的节点略突出螺栓孔一端。把该结构的热电偶从上往下依次穿过水冷板、保温砖、加热板和均热板，最后利用螺纹固定在均热板上，螺栓和均热板的下表面齐平，这时热电偶的节点略突出均热板下表面，测试时就可以紧紧接触试样热面(即上表面)。多点布置的热电偶就可以热面测量中心点即计量区域内不同位置处的温度。试样冷面中心计量区域内的温度和热流密度测量是通过和冷面接触的平面热流计来实现的。平面热流计内在中心点和中心计量区域内的其他多个位置，分别布置了薄膜热流计元件和细丝的铜/康铜热电偶，可以同时测量热流密度和温度。
本发明的一个具体实施例，公开了基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法，该方法的流程图如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤s1：将试样放入导热仪中，控制试样热面中心点的温度稳定于热面温度设定值，同时控制试样冷面中心点的温度稳定于冷面温度设定值；
需要说明的是，在该步骤中，可通过加热单元对试样热面进行加热，使得试样热面中心点的温度稳定于热面温度设定值；可利用冷却循环水机和冷却板对试样的下表面(即冷面)进行冷却)，确保试样冷面温度不超过其下方平面热流计的最高可耐受温度。
在加热板功率恒定、冷却循环水机的工作状态稳定的条件下，试样冷面中心点的温度会逐渐达到某一个稳定的温度值(该值不得超过平面热流计的最高耐受温度值)；
步骤s2：采集试样热面、冷面中心点的温度，以及热面、冷面的中心计量区域边缘温度；
优选地，所述试样的截面尺寸为300mm×300mm；所述中心计量区域为所述试样中φ100mm的圆形区域。
步骤s3：基于步骤s2中采集的温度，得到试样的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估结果。具体地，所述步骤s3包括：
步骤s31：获取试样中心计量区域沿面内方向的热损失；根据以下公式获取所述热损失：
其中，λ表示所述试样的热导率；l表示所述试样的厚度；th0、tl0分别表示试样热面、冷面的中心点温度，所述中心计量区域为以试样中心为圆心、以r2为半径的圆形；r1取0.9-0.95％倍的r2；th2表示试样热面的中心计量区域边缘温度；tl2表示试样冷面的中心计量区域边缘温度。
步骤s32：获取试样中心计量区域内沿厚度方向的有效热流；根据以下公式获取所述有效热流：
步骤s33：将所述热损失与所述有效热流的比值，作为所述试样的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估结果，即：
本实施例中用到的公式(1)-(3)，是基于以下推导过程得到的：
如图2所示，假设试样下表面所在平面为x-o-y平面，沿厚度方向向上为z轴方向。试样厚度为l。试样的热导率为λ。试样上、下表面中心点a、b处的温度分别为th0和tl0，上下表面距离中心点r2的c、d点的温度分别为th2和tl2。假设沿试样下表面到上表面的温度是线性增加的；在同一个水平面内，从中心点到距离r2的圆周上的温度是线性减小的。
1)r2半径的圆柱侧壁面热流估算
沿线段ac和bd上分别截取点e和f，令ae＝bf＝r1，r1略小于r2，一般地，r1取0.9-0.95％倍的r2。
线段ef和cd分别绕ab旋转一圈，形成一个内径为r1、外径为r2、高为l的虚拟的圆筒壁面。
样品上表面从a点到c点，温度从th0降低到th2，假设温度在该距离内线性变化，
则距离a点半径为r(在0-r2之间)处的温度分布为：
因此，距离r1的e点处的温度为：
同理，样品下表面从b点到d点，温度从tl0降低到tl2，假设温度在该距离内线性变化，则距离b点半径为r处的温度分布为：
因此，距离r1的f点处的温度为：
由样品沿厚度方向温度线性变换的假设，则在圆筒内壁面(r1)上，从下往上的温度分布t1(z)为：
同理，圆筒外壁面(r2)上，从下往上的温度分布t2(z)为
因此，沿圆筒内壁面(r1)流向外壁面(r2)的热损失为：
把(5)、(6)带入上式整理后积分
这就是试样中心计量区域沿面内方向的热流损失。
2)样品中心计量区域内沿厚度方向的热流计算
有式(4)和(5)得到试样上下表面距离中心点r2的圆面内的温度分布，因此，由r2所形成的圆柱体的上表面向下表面通过的热流可由下式计算
把式(4)和(5)带入上式后整理并积分
3)面内方向热损失所占比重的估算方法
由式(8)和(10)可得中心计量区域内的侧壁面热损失和有效热流的相对比值如下
由式(7)可以方便的估算样品中心计量区域内的热损失和有效热流之间的相对比例，从而评估热流损失的影响程度。
本实施例推导了大温差热流计法导热仪测试样品热导率，当样品中心计量区域内的温度存在不均匀性时侧壁面热损失和有效热流的相对比值的计算方法，得到了公式(1)-(3)。
利用公式(1)-(3)，根据实测的样品厚度，样品上、下表面中心点、以及计量区域边缘r2处的4个温度测量值，就可以很方便地评估样品侧壁面热损失对热导率计算的影响程度，方便对测量不确定度进行有效评估。
实施例2
本发明的一个具体实施例，公开了利用实施例1中的评估方法计算热损失的实例：
假设：样品的厚度l＝20mm，中心计量区域的半径r2＝50mm，取r1＝0.95r2，取热面中心点温度th0＝1000℃，中心计量区域边缘温度th2＝950℃，则热面的温度不均匀性为5％；冷面中心点温度tl0＝25℃，计量区域边缘温度tl2＝24.5℃，
将上述数据带入公式(3)计算可得到：
由上述结果可以看出，试样热面中心计量区域温度为1000℃时，5％的温度不均匀性所造成的侧面热损失占有效热流的0.84％，该占比相对较小。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
1.基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤s1：将试样放入导热仪中，控制试样热面中心点的温度稳定于热面温度设定值，同时控制试样冷面中心点的温度稳定于冷面温度设定值；
步骤s2：采集试样热面、冷面中心点的温度，以及热面、冷面的中心计量区域边缘温度；
步骤s3：基于步骤s2中采集的温度，得到试样的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估结果。
2.根据权利要求1所述的基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法，其特征在于，所述步骤s3包括：
步骤s31：获取试样中心计量区域沿面内方向的热损失；
步骤s32：获取试样中心计量区域内沿厚度方向的有效热流；
步骤s33：将所述热损失与所述有效热流的比值，作为所述试样的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估结果。
3.根据权利要求2所述的基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法，其特征在于，在所述步骤s31中，根据以下公式获取所述热损失：
其中，λ表示所述试样的热导率；l表示所述试样的厚度；th0、tl0分别表示试样热面、冷面的中心点温度；所述中心计量区域为以试样中心为圆心、以r2为半径的圆形；r1取0.9-0.95％倍的r2；th2表示试样热面的中心计量区域边缘温度；tl2表示试样冷面的中心计量区域边缘温度。
4.根据权利要求3所述的基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法，其特征在于，在所述步骤s32中，根据以下公式获取所述有效热流：
5.根据权利要求1所述的基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法，其特征在于，
在所述步骤s1中，通过冷却循环水机和冷却板控制试样冷面中心点的温度稳定于冷面温度设定值。
6.根据权利要求5所述的基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法，所述冷面温度设定值不超过设于所述试样下方的平面热流计的最高耐受温度值。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法，其特征在于，
所述导热仪包括：真空单元、加热单元、原位测厚单元和信号采集处理单元，所述加热单元位于真空单元中，所述真空单元用于为加热单元提供气体压力和气氛可调可控的测试环境，所述原位测厚单元用于在测试过程中实时原位测量试样的厚度，所述信号采集处理单元用于采集试样热面、冷面中心点的温度、以及热面、冷面的中心计量区域边缘温度、试样热流密度以及试样厚度并计算得到热导率；
所述加热单元包括高温组件和低温组件，高温组件包括依次层叠的均温板、加热板和隔热层；沿逐渐远离加热板的中心的方向，所述加热板的加热温度逐渐升高；
所述均温板域所述低温组件之间用于放置所述试样。
8.根据权利要求权利要求7所述的基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法，其特征在于，所述低温组件包括依次层叠的支座、下冷板、导热胶垫和热流计压板，多个热流计嵌埋在导热胶垫朝向热流计压板的一侧。
9.根据权利要求7所述的基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法，其特征在于，通过启动所述加热单元，使得试样热面中心点的温度稳定于热面温度设定值。
10.根据权利要求1所述的基于导热仪的中心计量区域侧壁面热损失占比的评估方法，其特征在于，所述试样的截面尺寸为300mm×300mm；所述中心计量区域为所述试样中φ100mm的圆形区域。
技术总结