- 引言
材料的热物性是材料的重要特征参量，它是指材料在热过程中所表现出来的反映各种热力学特性的参数的总称，包括材料的导热系数、热扩散率、比热容、热膨胀系数、发射率、热流密度等。生物组织热物性数据的准确测量对临床医学、器官保存和数值计算至关重要[1]。因此发展适用不同条件下生物组织热物性数据的实验测定方法十分必要，许多学者都对生物热物性的测量技术进行了研究[2]。由于生物组织的热物性数值会随类型、组分和温度不同而变化，以及实验条件的差异，给生物热物性测量带来许多困难。就导热系数而言，有关的数据报道十分有限，且同类组织的数据差异较大，生物组织在低温度下的导热系数，在很多情况下由水或水溶液的物性数值代替。目前应用于低温保存的器官通常尺度很小，其导热系数随温度的变化明显，已有的测量方法难以有效测定其导热系数。本文根据闪光法测试的试验试样小，测试速度快和温度范围宽，适用材料广等特点，将其激光加热源更换为等效的电脉冲加热源，研究了块状生物质（仙人掌）导热系数和比热的实验测定方法。
- 热物性测试技术发展
早在18世纪，人类就开始对材料的热物性进行探索和系统研究。1753 年Franklin 提出了不同物质具有不同的接受和传递热量能力的概念；1787 年，Fordgce 进行了生铁和纸板导热性能的对比试验；1789年，Ingen 和Hausz首次建成了测试固体导热系数的稳态比较法实验装置。由于20世纪50年代空间技术发展的推动和20世纪70年代能源危机出现后新能源、保温技术和节能材料迅速发展的迫切需要，人们对热物性的测试和研究取得了重大进步，逐渐形成了一门以研究和测试物质宏观热物理属性、探索宏观热物性与物质微观结构之间关系的崭新学科分支——热物性学[3]。
20世纪80年代，热物性测试基本处于厘米至毫米尺度。近二十年，随着纳米科技、微电子机械系统、低维材料、纳米生物医药等领域高新技术的迅速发展，热物性测试从传统方法研究进入了又一个新的发展阶段，基于纳米尺度低维材料和微器件的热物性测试新原理、新方法和新装置的研究应运而生[4]19-20。材料热物性参数发展至今，其主要测试方法分稳态法与非稳态法两种，如图1所示。
图1 稳态法和非稳态法分类表
- 国外研究现状
在欧美等发达国家已广泛、系统地开展材料热物性参数测试，并已建立比较完善的热物性参数测试传递体系。许多国家都建立了以热物性测试作为重要研究内容的研究机构，其中较有影响的诸如美国NIST、英国国家物理实验室(NPL)、俄罗斯科学院的高温研究所和热物理研究所，以及德国的物理技术研究院(PTB)的热学处等，另外知名大学如美国普渡大学、德国慕尼黑工业大学和卡罗斯大学、日本庆应大学、英国曼彻斯特大学等在热物性测试研究方面均已有很长的历史，都建有比较齐全的材料热物性测试装置，包括各种类型的固、液体导热率、热扩散系数、比热、热膨胀系数、表面辐射、发射和反射率测试装置。
在热物性测试设备方面，在文献[5]中提出了用于研究固体材料的热传输的新的瞬态技术，并且概述该瞬态平面源（TPS）技术的一般理论。TPS技术也称作瞬态热轧带技术。在文献[6]中提出了一种用于测量包括软材料在内的固体的热传输性质的方法。其在膜传感器周围制备凝胶层，用作消除传感器和样品之间的热接触电阻。传感器的瞬态温度升高由在恒定电流下加热传感器之后的电阻确定。根据与测量的温度升高一致的迭代获得的理论温度升高来确定样品的导热率和热扩散率以及凝胶层的厚度。在文献[7]中提出了一种用于测量稳态热导率的多功能防护平行板仪器。该仪器因其适用于流体以及固体，散装固体和可压缩固体而突出。通过选择适当的样品厚度和板之间的温度差，可以实现小于3％的不确定性。在文献[8]中设计、开发、测试和介绍了一种使用瞬态热丝技术测量流体热导率的改进测量装置。该设备被设计成使得可以使用不同长度的单线传感器和双线传感器来测量热导率。所测量的样品的热导率具有plusmn;0.25％的不确定性。在文献[9]瞬态平面源技术（也称为热盘）作为用于测量材料中的热扩散性的有效装置，如果样品的制备满足一些几何要求的话，使用Hot-Disk设备来描述各向异性材料的热扩散率和电导率的计算公式的理论推导，已获得来自意大利东北部的橡树、云杉和落叶松三种树种的相关性质。在文献[10]中确定苹果树叶的热导率和影响热导率的因素。在研究中创建了用于2种因子实验计划的样本，对样品进行用于计算热导率系数的水分含量，密度和热流测量。确定影响热导率的主要因素是密度和粒径并评估了自然材料合理使用制造保温的可能性。在文献[11]中使用光热技术来测量几个代表性物种的植物叶的蓄热系数，热扩散率，热导率和比热容。通过对新鲜树叶和干树叶的属性比较确定植物叶片的抗热疲劳性能与两种材料在丰富环境下的特性进行比较和讨论。
- 国内研究现状
我国热物性测试研究始于20世纪50年代，测试研究工作主要在部分科研院所和高校展开。到1966年，仅中科院金属所和硅酸盐所就已研制成十多台高中低温热导率、热扩散率、比热、热膨胀、热辐射性能测试装置。20世纪70年代，中国测试技术研究院（原计量分院）对导热系数、热膨胀系数等热物性参数的测试方法和测试装置开展了研究工作，各类装置测试不确定度达到同类装置的国际水平。近年来，中国计量科学研究院在热物性测试方面做了大量的研究，建立了相应的测试标准装置[12]。中科院上海硅酸盐所与金属所共同承担研制了“亚微米/微米薄膜材料热物理性质多功能综合测试仪”，能在-60℃～220℃温区内综合测定多种薄膜导温系数和热膨胀系数。中国建筑科学研究院建筑物理所针对建筑保温材料的导热系数测量建立有激光脉冲法、平板法、热流计法导热仪。清华大学在固体薄膜材料的热扩散系数方面购置了交流光热法测试薄膜热扩散系数的装置。随着微电子技术、计算机技术和自动测试技术的快速发展，我国一些单位针对固体、液体、粉末等不同形态的样品以及薄膜材料、各向异性材料、复合材料、纳米材料等开展了快速瞬态法的测试方法和测试装置的研究均已取得较好成果。
在文献[13]中讨论了平板法和同心圆球法两种可用于测定低导热物料的导热系数的测定方法,，比较了它们的适用范围。对于玉米芯、稻壳、杂树叶、锯屑等几种有代表性的生物质，用各自适用的测定手段实测了它们的导热系数。在文献[14]中根据粮食的结构特点，对现有的热线法进行改进，使用自制热线法测定仪检测小麦、稻谷等粮种的导热系数。在文献[15]中提出一种可同时测量生物组织的比热、导热系数和导温系数的实验方法，并用土豆、梨及藕等样品进行实验，得到比较满意的结果。其中藕的热特性参数属首次测定公布。在文献[16]和文献[17]中提到在微珠状热敏电阻作为球形热源传热模型的基础上，提出适用于较宽温区生物组织导热系数测量的方法，同时为解决小尺度生物组织的测量提供了有效途径。对测量误差的分析也说明该方法适用于测量尺度很小的生物样品。在文献 [18][17]中用探针法测量材料的导热系数，测量过程中试样温升小、测试时间短，适合于农副产品这类高含水量物体的热特性测量。
- 研究方法
本次试验题目是块状生物质热物性测量装置设计，主要研究块状生物质的比热容和导热系数，综合利用学过的热力学、流体力学、传热学、热物理量测技术等知识，完成一套多肉植物热物性的热设计和瞬态测量系统的设计，为实验装置研制提供参考。
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