本发明涉及一种材料导热性能测试方法，更具体的是一种针对具有不规则形状、不均匀结构等特征样品的导热性能测试方法。
背景技术：
材料导热性能对热设计至关重要，准确测试材料导热性能是系统设计的基础，也是生产品质控制的依据。材料导热性能一般采用导热系数表示，少数时候也使用热扩散率参数表征，在已知密度和比热容的情况下，二者知其一可计算另一个。对于多种材料组合连接形成的复合体系，则不同单元间的接触热阻也是影响导热性能的关键参数。
导热性能测试目前有很多方法和标准，但这些方法大多针对传统材料，一般要求测试样品是各向同性的均匀材料。随着技术的发展，各种新材料和新工艺出现，一些传统方法出现测试效果不理想的情形。比如锂电池热设计中需要单体的导热性能参数，但目前缺乏合适的实验测试方法。锂电池一般包括圆柱、软包、方形等几种封装形式，其中软包锂电池相对较规则，已经有一些无损测试方法见诸文献，而圆柱和方形锂电池的导热系数无损测试方法目前还很欠缺，其主要原因是二者非常不规则，且需要使用不同方向的导热系数、接触热阻等多参数同时描述。
锂电池的不规则主要体现在三方面。第一，锂电池导热性能具有各向异性，圆柱形锂电池一般在轴向和径向具有不同导热系数，而方形锂电池在平行叠片方向和垂直叠片方向具有不同导热系数。第二，圆柱形和方形锂电池具有非均匀结构，二者内部一般为卷绕或层叠的内芯，而外部有金属外壳；金属外壳的导热性能较好，一般远大于内部卷芯或叠片的等效导热系数；常规无损测试方法的加热和测温都布置在锂电池表面，金属外壳良好的导热能力会导致热流优先沿外壳传播，对内部卷芯等产生类似热屏蔽的效果，导致测试对卷芯导热系数不敏感。第三，形状和规格多样，且极耳等结构导致形状不规则，不容易通过外部热源热沉构造一维传热。
对于类似锂电池这样的不规则样品，常规方法难以适用。比如稳态法要求构造一维传热，而锂电池的不规则特征导致传热一般是不均匀的，不符合测试模型要求。非稳态法如闪光法主要适用于薄片，且要求样品是均匀材料；瞬态平面热源法也要求样品是均匀材料，且具有平整表面。
常规导热系数或热扩散率无损测试方法中，加热和观测一般都位于待测样品的表面，因此样品表层材料的性质比内部材料对测试结果影响更大。如果待测样品为非均匀材料，比如具有金属外壳的锂电池，则传热很不均匀，热量主要通过金属外壳从热源传递到热沉，样品内部材料性质对测试结果影响很小。而在实际应用中可能更关心待测样品内部和外部热交换时的导热性能，以致测试得到的等效参数无法对实际应用产生指导价值。
对于具有非均匀结构的样品，其内部热量和外部环境进行交换的传热路径有很多，每个传热路径可能涉及不同的热参数(相应方向的材料导热系数、接触热阻等)，这些热参数综合作用决定了测试结果，反演分析时难以区分不同热参数的作用，从而导致存在多解的问题。
例如发明专利：“一种不规则样品导热性能测试方法”(公开号：110220940a)公开了一种导热性能测试方法，其通过将样品先后放置在三种不同的环境中，分别实现储能、换热、观测的功能，构造出样品内部和外部之间的非稳态传热，可以解决样品表面不规则导致均匀激励困难、结构不均匀导致对内部热参数不敏感等问题。但该方法未采取措施对测试过程中的热流传递路径进行约束，因此影响测试结果的变量可能很多，可能存在多种变量取值组合都能很好的拟合观测数据，出现多解的问题。比如在方形锂电池测试中，样品一般同时包括面向导热系数、纵向导热系数、各表面外壳和卷芯接触热阻等众多变量，如果直接使用该方法测试，同时反演所有变量，则会有很多组彼此差异很大的解都与观测数据具有较好匹配度，从而无法准确确定目标参数。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：对具有形状不规则、材质不均匀等特征的不规则样品，如何在不破坏内部结构的情况下对其导热性能进行测试，且当测试模型中未知变量较多时也能准确确定待测参数。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
本发明包括样品预处理、测试操作、数据分析三个过程。
所述的样品预处理过程是指将样品部分表面进行隔热处理，阻止测试操作过程中相应表面与环境之间的热交换。
所述的测试操作包括三个步骤：
步骤1：将待测样品放置在环境env0中，env0为恒温环境，温度记为t0；待测样品在环境env0中保持足够时间，直到待测样品温度为t0且各处温度均匀。
步骤2：将待测样品快速转移到环境env1中，env1为恒温强对流环境；env1的温度与env0温度不同，记温度为t1；env1中待测样品表面换热系数hs1应尽量大；待测样品在环境env1中保持一段时间并与环境进行热交换，该保持时间timtx的取值应使该时间段中待测样品平均温度变化与t1-t0的绝对值的比值在0.2-0.8之间。
步骤3：将待测样品快速转移到环境env2中并保持一段时间；保持时间timad应足够大，以使待测样品内部温度基本趋于一致为宜；环境env2中待测样品表面应尽量接近绝热；测量并记录待测样品进入env2后表面温度随时间的变化过程ts(t)。
所述的数据分析过程是指根据测试操作过程中的参数和记录的温度数据，反演计算待测样品的导热性能参数。
进一步说，重复进行样品预处理和测试操作多次，每次对不同表面采取隔热措施；在数据分析时，综合多次测试过程中的观测数据反演计算待测样品的导热性能参数。
本发明的有益效果：本发明通过对样品部分表面进行隔热预处理，实现对样品与环境换热的传热路径进行约束，部分传热路径被阻断或大幅减弱，相应传热路径上的热参数对测试结果影响大幅减小，从而反演分析时其它热参数的灵敏度提高。更进一步的，通过重复多次测试，每次测试时对不同表面进行隔热处理，使得每次测试的敏感热参数不同；综合多次测试数据反演，可以有效改善反问题性质，避免多解等问题。
附图说明
图1为本发明实施例1的测试样品形状和结构示意图；
图2为本发明实施例1中样品预处理方式示意图；
图3为本发明实施例1的测试步骤示意图；
图4为本发明实施例2的测试样品形状和结构示意图；
图5为本发明实施例2中执行第一次测试时的样品预处理方式示意图；
图6为本发明实施例2中执行第一次测试的测试步骤示意图；
图7为本发明实施例2中执行第二次测试时的样品预处理方式示意图；
图8为本发明实施例2中执行第二次测试的测试步骤示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点清楚明白，以下结合附图对本发明做进一步说明：
本发明的主要技术构思：本发明首先对待测样品部分表面进行隔热处理，使样品与外部环境的换热只能通过特定表面进行，约束内部传热路径，使测试有选择性的对待测参数更敏感；测试时让待测样品先后处于恒温t0状态、表面具有强对流换热系数的恒温t1状态、表面近似绝热等三种状态，构造出待测样品内部与环境之间换热的非稳态传热过程。
实施例1
该实施例中测试对象为具有金属壳的圆柱形锂电池单体，其结构如图1所示，包括圆柱形卷芯101和圆柱形金属外壳102，二者在端面103和圆柱面104都可进行热传递；其中端面103一般气隙较大，等效界面接触热阻较大；圆柱面104气隙较小，接触较好，等效界面接触热阻较小。卷芯101的导热性能使用轴向导热系数ka和径向导热系数kr两个参数描述，卷芯101和外壳102在端面103的等效接触热阻用ra描述，卷芯101和外壳102在圆柱面104的等效接触热阻用rr描述。为准确测试确定卷芯101的径向导热系数kr，以及卷芯101和外壳102在圆柱面104的等效接触热阻rr，进行如下测试：
首先对样品进行预处理，如图2所示，在圆柱形锂电池金属外壳102的两个端面使用气凝胶制作两个圆柱形的隔热块105，隔热块105和外壳102的端面紧密粘接在一起，隔热块105的导热系数非常小且具有足够厚度，因此外壳102通过端面与环境的换热几乎可忽略。
然后按顺序执行三个测试步骤，如图3所示：
步骤1：将端面隔热处理后的锂电池102放置在温度为t0的恒温水浴110中，保持足够时间直到样品达到平衡状态，电池内部各处与水浴温度一致。
步骤2：将锂电池102快速转移到温度保持为t1的循环流水环境111中，流水由水泵112驱动，具有较高流速以使测试锂电池102表面具有足够大的换热系数；锂电池102在流水111中保持固定时间tcool；tcool取值以使锂电池平均温度变化到(t0 t1)/2附近为宜，可通过仿真手段或者试探性实验来确定该参数。
步骤3：将锂电池102从流水111中取出并快速清理去除表面残留水，放置在环境温度为t2的隔热支架113上，通过辐射测温传感器114测量记录表面温度变化，记为ts(t)。
最后，采用如下方式对锂电池的径向两个热参数进行反演计算：
建立测试正问题模型：
卷芯101内部固体热传导：
金属壳102固体热传导：
卷芯101端面和金属壳102间界面：
卷芯101外圆柱面和金属壳102间界面：
初始状态：
tjr＝t0,t＝0式5
tcase＝t0,t＝0式6
边界条件：
其中ρjr、cjr、kr、ka分别为卷芯101的密度、比热容、径向导热系数、轴向导热系数，tjr为卷芯温度(随时间和空间变化)，t为时间，r为径向坐标，x为轴向坐标，ωjr表示卷芯101所在空间区域。ρcase、ccase、kcase分别为金属外壳102的密度、比热容、导热系数，tcase为金属外壳102的温度分布(随时间和空间变化)，ωcase表示金属壳102所在空间区域；ra为卷芯101端面和金属壳102间界面的等效接触热阻，rr为卷芯101外圆柱面和金属壳102间界面的等效接触热阻。xjr为卷芯101轴向长度，djr为卷芯101直径，dcase为金属外壳102直径，xcase为金属外壳102长度，h1、h2为步骤2和步骤3测试时的锂电池金属外壳102表面换热系数，sign()函数在自变量为正时取值为1，自变量为负时取值为-1。
式1～式9中，仅kr、rr、ka、ra、h1、h2为未知的待测参数，其它参数均可通过常规手段得到，属于已知参数。由于锂电池金属外壳102的两个端面进行了隔热处理，因此内部轴向热流很小，对ka、ra两个参数不敏感，可以将其根据先验知识设置为范围内的任意值而不对反演结果造成大的影响，比如ka取为20wm-1k-1，ra设置为零(即忽略轴向接触热阻)。剩下的四个参数kr、rr、h1、h2为反演目标变量，以正问题计算得到的样品表面温度与实验中记录的温度曲线ts(t)的偏差作为失配度函数，采用常规反演方法即可确定kr、rr。
实施例2
该实施例中测试对象为具有金属壳的方形锂电池单体，结构如图4所示，其包括方形卷芯201和方形金属外壳202；建立直角坐标系，其中x-y平面平行于卷芯的极片，x轴平行于长边，y轴平行于短边，z轴垂直于极片；卷芯201和外壳202在6个面都可以进行热传递，其中垂直z轴的两个接触面203具有较小的接触间隙，一般不超过数十微米，接触热阻很小；垂直x轴的两个接触面204，以及垂直y轴的两个接触面205，间隙一般较大，达到0.1毫米以上，接触热阻较大。在热设计时卷芯一般视作均质各向同性材料，x-y平面导热性能使用面向导热系数kin描述，z向导热性能使用纵向导热系数kcross描述；卷芯和金属壳在z向两个接触面203的接触热阻使用参数rcross表示，在x向和y向接触面204和205的接触热阻使用参数rin表示。为确定kin、kcross、rin、rcorss四个导热性能参数，先后进行两个测试。
第一个测试过程如下：
首先对样品进行预处理，如图5所示，方形电池外壳202的x-y方向四个表面均采用气凝胶制作的隔热块210完全覆盖，隔热块210导热系数非常小且具有足够厚度，因此外壳202与环境通过x-y方向四个表面的换热几乎都可以忽略。
然后按顺序执行三个测试步骤，如图6所示：
步骤1：将x-y四面附着隔热块210处理的锂电池202放置在温度为t0的恒温水浴110中，保持足够时间直到样品达到平衡状态，电池内部各处与水浴温度一致。
步骤2：将锂电池202快速转移到温度保持为t1的循环流水111中，流水由水泵112驱动，具有较高流速以使测试锂电池202的z表面具有足够大的换热系数；锂电池202在流水111中保持固定时间tcool；tcool取值以使锂电池平均温度变化到(t0 t1)/2附近为宜，可通过仿真手段或者试探性实验来确定该参数。
步骤3：将锂电池202从流水111中取出并快速清理去除表面残留水，放置在环境温度为t2的隔热支架113上，通过辐射测温传感器114测量记录表面温度变化，记为ts1(t)。
去掉之前测试中附着在样品x-y面的隔热材料，然后按照如下步骤进行第二个测试：
首先对样品进行预处理，如图7所示，方形电池外壳202的z方向两个表面均采用气凝胶制作的隔热块240完全覆盖，隔热块240导热系数非常小且具有足够厚度，因此外壳202与环境通过z方向两个表面的换热几乎都可以忽略。
然后按顺序执行三个测试步骤，如图8所示：
步骤1：将z面附着隔热块240处理的锂电池202放置在温度为t0的恒温水浴110中，保持足够时间直到样品达到平衡状态，电池内部各处与水浴温度一致。
步骤2：将z面附着隔热块240处理的锂电池202快速转移到温度保持为t1的循环流水111中，流水由水泵112驱动，具有较高流速以使测试锂电池202的x和y表面具有足够大的换热系数；锂电池202在流水111中保持固定时间tcool；tcool取值以使锂电池平均温度变化到(t0 t1)/2附近为宜，可通过仿真手段或者试探性实验来确定该参数。
步骤3：将锂电池202从流水111中取出并快速清理去除表面残留水，放置在环境温度为t2的隔热支架113上，通过辐射测温传感器114测量记录表面温度变化，记为ts2(t)。
完成两个测试后，采用如下方式对锂电池的径向两个热参数进行反演计算。首先建立测试正问题模型：
卷芯201内部固体热传导：
金属壳202固体热传导：
卷芯201和金属壳202间界面传热：
初始状态：
tjr＝t0,t＝0式15
tcase＝t0,t＝0式16
测试1边界条件：
测试2边界条件：
其中ρjr、cjr、kin、kcross分别为卷芯201的密度、比热容、面向导热系数、纵向导热系数，tjr为卷芯201温度分布，t为时间，x、y、z为坐标，ωjr表示卷芯201所在空间区域。ρcase、ccase、kcase分别为金属外壳202的密度、比热容、导热系数，tcase为金属外壳202的温度分布，ωcase表示卷芯201所在空间区域；rin为卷芯201和金属壳202间在x方向和y方向接触界面的接触热阻，rcross为卷芯201和金属壳202间在z方向接触界面的接触热阻。xjr、yjr、zjr为卷芯201的x、y、z向尺寸，xcase、ycase、zcase为外壳202的x、y、z向尺寸，h1a、h2a为测试1中步骤2和步骤3测试时的锂电池金属外壳202表面换热系数，h1b、h2b为测试2中步骤2和步骤3测试时的锂电池金属外壳202表面换热系数；sign()函数在自变量为正时取值为1，自变量为负时取值为-1。
式10～式25中，仅kin、kcross、rin、rcross、h1a、h2a、h1b、h2b为未知的待测参数，其它参数均可通过常规手段得到，属于已知参数。如果给定一组待测参数取值，则可以求解正问题得到测试1和测试2中观测数据的预测值，分别记为ts1f(t)和ts2f(t)；计算ts1(t)和ts1f(t)的均方根偏差，以及ts2(t)和ts2f(t)的均方根偏差，将二者之和作为失配度函数，采用常规反演方法确定kin、kcross、rin、rcross。
本发明以待测样品自身储能作为热源或热沉，在不损坏样品情况下实现内外传热测试，可避免不均匀样品表层良导热材料带来的热屏蔽效果，也可解决样品不规则形状带来的加热难题。且通过对样品部分表面采取隔热措施，可以在样品导热存在多个变量时，选择性的提高测试对部分变量的灵敏度，而同时抑制对其它变量的灵敏度。
本发明可用于金属外壳方形或圆柱形锂电池等效导热系数的无损测试，也可用于其它常规方法难以检测的不规则形状、不均匀结构样品导热性能测试。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
1.一种不规则样品导热性能测试方法，其特征在于：包括样品预处理、测试操作、数据分析三个过程；其中：
所述的样品预处理过程是指将样品部分表面进行隔热处理，阻止测试操作过程中相应表面与环境之间的热交换；
测试操作包括三个步骤：
步骤1：将待测样品放置在环境env0中，env0为恒温环境，温度记为t0；待测样品在环境env0中保持足够时间，直到待测样品温度为t0且各处温度均匀；
步骤2：将待测样品快速转移到环境env1中，env1为恒温强对流环境；env1的温度与env0温度不同，记温度为t1；env1中待测样品表面换热系数hs1应尽量大；待测样品在环境env1中保持一段时间并与环境进行热交换，该保持时间timtx的取值应使该时间段中待测样品平均温度变化与t1-t0的绝对值的比值在0.2-0.8之间；
步骤3：将待测样品快速转移到环境env2中并保持一段时间；保持时间timad应足够大，以使待测样品内部温度基本趋于一致为宜；环境env2中待测样品表面应尽量接近绝热；测量并记录待测样品进入env2后表面温度随时间的变化过程ts(t)；
数据分析过程：根据测试操作过程中的参数和记录的温度数据，反演计算待测样品的导热性能参数。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：重复进行样品预处理和测试操作多次，每次对不同表面采取隔热措施；在数据分析时，综合多次测试过程中的观测数据反演计算待测样品的导热性能参数。
技术总结