一种获得3D打印粉末热导率的方法技术

本发明专利技术公开了一种获得3D打印粉末热导率的方法，采用有限差分数值模拟的手段，基于已有的单质热传导物性参数，对粉末样品进行传热过程的模拟仿真，获得样品粉料的热传导系数，用模拟的方法获得导热系数的最大优势在于其可以获得任意温度点(温度低于材料熔点)的导热系数，因为测量温度可以在模拟软件中选择性设置，不受实际测量条件的制约并且开启多个进程可以在同一时间内获取不同温度的多组数据，极大地提高了导热系数的测量效率，降低了实验成本。

【技术实现步骤摘要】
一种获得3D打印粉末热导率的方法
本专利技术属于物质导热系数测量领域，具体涉及一种获得3D打印粉末热导率的方法。
技术介绍
导热系数是基础的物理化学数据,在冶金、能源、化工等领域的工业设计中起着重要的作用.导热系数的测量方法很多，根据不同的测量对象和测量范围有各种适用的方法。从传热机理上分，包括稳态法和非稳态法；稳态法包括平板法、护板法、热流计法等；非稳态法又称为瞬态法，包括热线法、热盘法、激光法等在粉末导热系数测定中主要运用的是热线法。热线法是在样品中插入一根热线。测试时，在热线上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升。测量热线本身或平行于热线的一定距离上的温度随时间上升的关系。由于被测材料的导热性能决定这一关系，由此可得到材料的导热系数。这种方法测量时间比较短，所测量材料的导热系数范围一般是0.1W/mK到几十。热线法具有成本低，测量速度快，对样品尺寸要求不太严格等特点；但是存在固有缺陷，缺点在于测试温度范围窄、分析误差大、设备一次性投入大等等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种获得3D打印粉末热导率的方法，突破测量条件的限制，将计算机模拟技术与测试实际条件相结合，大大提高导热率测量的效率和灵活性。为了达到上述目的，本专利技术包括以下步骤：步骤一，基于粉末的标准粒形和粒径分布，自由混合，在确保粉末试样密度不变条件下，采用三维设计软件建立粉末自由混合的立体堆积模型；步骤二，采用剖分软件，对样品进行三维剖分，剖分后模型包括粉末单元群、间隙单元群和夹板单元群；步骤三，对粉末单元群、间隙单元群和夹板单元群进行物性参数、初始温度、界面热阻的设定；步骤四，根据有限差分基本传热方程进行非平衡状态下的能量传递模拟计算，动态更新不同时刻的所有单元温度值；步骤五，根据分析模型最底层所有单元平均温度值的变化进行计算终止判断，当该温度值随时间变化率为0时，说明传热已经进入到稳态传热过程；步骤六，计算稳态传热条件下单位时间从分析模型中传导的热量，得到总热阻Ra，进而计算获得粉末样品的热传导系数。所述步骤一中，立体堆积模型中的粉末颗粒材质与实际样品粉末材质相同，粉末空隙填充介质材质与实际样品空隙填充介质材质相同。所述步骤二中，剖分软件包括商用hypmesh软件。所述步骤三中，将模型上表面设置为能量输入面，下表面设置为能量输出面，侧表面设置为绝热面，对上表面设置温度为Tup的恒温热源，对下表面设置温度为Tdn的恒温热源，模型整体初始温度设为Tdn。所述步骤四中，有限差分基本传热方程进行非平衡状态下的能量传递模拟计算的具体方法如下，根据三维非稳态导热微分方程：动态更新不同时刻的温度值，将等式左端非稳态项取向前差分，等式右端扩散项取中心差分，并利用叠加原理便可得到下一个时层的单元温度，由此来动态更新所有单元的温度值，式中τ为时间步长，λ为导热系数，其由所设置的单元物性参数所决定。所述步骤五中，分析模型输出上下截面面积s，热量传输时间步长dt，稳态传输能量ΔQ，上铝板与粉末区界面每个单元热阻Rui,j和下铝板与粉末区界面热阻Rdi,j。所述步骤六中，计算稳态传热条件下单位时间从分析模型中传导的热量的具体方法如下：根据从分析模型中传导的热量计算获得算法模型的总热阻Ra，Ra＝[dt·s·(Tup-Tdn)]/ΔQ进而由热阻串联公式得到粉末模型热阻，Rx＝Ra-Rup-Rdn-Rint-u-Rint-d其中，Rup和Rdn按照传热计算公式获得，Rint-u和Rint-d根据界面单元并联计算获得，Rup＝L1/λup,Rdn＝L2/λdn最终获得粉末的导热率，λx＝L/Rx。与现有技术相比，本专利技术采用有限差分数值模拟的手段，基于已有的单质热传导物性参数，对粉末样品进行传热过程的模拟仿真，获得样品粉料的热传导系数，用模拟的方法获得导热系数的最大优势在于其可以获得任意温度点(温度低于材料熔点)的导热系数，因为测量温度可以在模拟软件中选择性设置，不受实际测量条件的制约并且开启多个进程可以在同一时间内获取不同温度的多组数据，极大地提高了导热系数的测量效率，降低了实验成本。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为本专利技术中堆积模型图；图3为本专利技术中球体剖分模型图；图4为本专利技术中空隙剖分模型图；图5为本专利技术中实际计算物理模型二维图；其中，①、铝粉模型；②、上表面；③、下表面；④、侧表面；L、被测粉末厚度；L1、上铝板厚度；L2、下铝板厚度。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。参见图1至图5，本专利技术包括以下步骤：步骤一，基于粉末的标准粒形和粒径分布，自由混合，在确保粉末试样密度不变条件下，采用三维设计软件建立粉末自由混合的立体堆积模型，立体堆积模型中的粉末颗粒材质与实际样品粉末材质相同，粉末空隙填充介质材质与实际样品空隙填充介质材质相同；步骤二，采用剖分软件，对样品进行三维剖分，剖分后模型包括粉末单元群、间隙单元群和夹板单元群；步骤三，对粉末单元群、间隙单元群和夹板单元群进行物性参数、初始温度、界面热阻的设定，将模型上表面设置为能量输入面，下表面设置为能量输出面，侧表面设置为绝热面，对上表面设置温度为Tup的恒温热源，对下表面设置温度为Tdn的恒温热源，模型整体初始温度设为Tdn；步骤四，根据有限差分基本传热方程进行非平衡状态下的能量传递模拟计算，动态更新不同时刻的所有单元温度值；根据三维非稳态导热微分方程：动态更新不同时刻的温度值，将等式左端非稳态项取向前差分，等式右端扩散项取中心差分，并利用叠加原理便可得到下一个时层的单元温度，由此来动态更新所有单元的温度值，式中τ为时间步长，λ为导热系数，其由所设置的单元物性参数所决定；步骤五，根据分析模型最底层所有单元平均温度值的变化进行计算终止判断，当该温度值随时间变化率为0时，说明传热已经进入到稳态传热过程；分析模型输出上下截面面积s，热量传输时间步长dt，稳态传输能量ΔQ，上铝板与粉末区界面每个单元热阻Rui,j和下铝板与粉末区界面热阻Rdi,j；步骤六，计算稳态传热条件下单位时间从分析模型中传导的热量，得到总热阻Ra，进而计算获得粉末样品的热传导系数；根据从分析模型中传导的热量计算获得算法模型的总热阻Ra，Ra＝[dt·s·(Tup-Tdn)]/ΔQ进而由热阻串联公式得到粉末模型热阻，Rx＝Ra-Rup-Rdn-Rint-u-Rint-d其中，Rup和Rdn按照传热计算公式获得，Rint-u和Rint-d根据界面单元并联计算获得，Rup＝L1/λup,Rdn＝L2/λdn最终获得粉末的导热率，λx＝L/Rx。剖分软件包括商用hypmesh软件。首先基于粉末的标准粒形和粒径分布，考虑自由混合，在确保粉末试样密度不变条件下(1.37g/cm^3)，运用三维建模软件(UG)建立球体堆积模型，如图2所示，其中，粉末颗粒材质设置为为铝粉，粉末空隙填充介质材质设置为空气。将所建立的三维模型切片分层得到轮廓数据再导入到专业软件中进行剖分，剖分后如图3、4所示。本实验为获得铝粉在30℃、100℃、150℃下的导热率，分别设置铝的物性参数如表1所示，初始温度设置如表2所示，经模拟计算后，最终模拟结果与仪器测试结果基本一致如表3所示。表1铝的物性参数表2初始温度设置组别初始温度顶层输入温度第一组30本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种获得3D打印粉末热导率的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，基于粉末的标准粒形和粒径分布，自由混合，在确保粉末试样密度不变条件下，采用三维设计软件建立粉末自由混合的立体堆积模型；步骤二，采用剖分软件，对样品进行三维剖分，剖分后模型包括粉末单元群、间隙单元群和夹板单元群；步骤三，对粉末单元群、间隙单元群和夹板单元群进行物性参数、初始温度、界面热阻的设定；步骤四，根据有限差分基本传热方程进行非平衡状态下的能量传递模拟计算，动态更新不同时刻的所有单元温度值；步骤五，根据分析模型最底层所有单元平均温度值的变化进行计算终止判断，当该温度值随时间变化率为0时，说明传热已经进入到稳态传热过程；步骤六，计算稳态传热条件下单位时间从分析模型中传导的热量，得到总热阻Ra，进而计算获得粉末样品的热传导系数。

【技术特征摘要】
1.一种获得3D打印粉末热导率的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，基于粉末的标准粒形和粒径分布，自由混合，在确保粉末试样密度不变条件下，采用三维设计软件建立粉末自由混合的立体堆积模型；步骤二，采用剖分软件，对样品进行三维剖分，剖分后模型包括粉末单元群、间隙单元群和夹板单元群；步骤三，对粉末单元群、间隙单元群和夹板单元群进行物性参数、初始温度、界面热阻的设定；步骤四，根据有限差分基本传热方程进行非平衡状态下的能量传递模拟计算，动态更新不同时刻的所有单元温度值；步骤五，根据分析模型最底层所有单元平均温度值的变化进行计算终止判断，当该温度值随时间变化率为0时，说明传热已经进入到稳态传热过程；步骤六，计算稳态传热条件下单位时间从分析模型中传导的热量，得到总热阻Ra，进而计算获得粉末样品的热传导系数。2.根据权利要求1所述的一种获得3D打印粉末热导率的方法，其特征在于，所述步骤一中，立体堆积模型中的粉末颗粒材质与实际样品粉末材质相同，粉末空隙填充介质材质与实际样品空隙填充介质材质相同。3.根据权利要求1所述的一种获得3D打印粉末热导率的方法，其特征在于，所述步骤二中，剖分软件包括商用hypmesh软件。4.根据权利要求1所述的一种获得3D打印粉末热导率的方法，其特征在于，所述步骤三中，将模型上表面设置为能量输入面，下表面设置为能量输出面，侧表面设置为绝热面，对上表面设置温度为Tup的恒温热源，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张航，赵懿臻，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61