常見的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法總結(jié)

常見的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法總結(jié)前言導(dǎo)熱系數(shù)：物體傳導(dǎo)熱量的能力，又稱為熱導(dǎo)率，是材料的熱物性參數(shù)之一，也是固體最重要的熱物性參數(shù)。定義為在穩(wěn)定傳熱條件下，1米厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為1度（K，℃），在1秒鐘內(nèi)（1S），通過1平方米傳遞的熱量，單位為瓦/米·度（W/(m·K)，此處為K可用℃代替）。導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定方法現(xiàn)已發(fā)展了多種，它們有不同的適用領(lǐng)域、測(cè)量范圍、精度、準(zhǔn)確度和試樣尺寸要求等，不同方法對(duì)同一樣品的測(cè)量結(jié)果可能會(huì)有較大的差別，因此選擇合適的測(cè)試方法是首要考慮的。目前導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定方法分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法（也叫非穩(wěn)態(tài)法）兩大類。穩(wěn)態(tài)法穩(wěn)態(tài)法是經(jīng)典的保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法，至今仍受到廣泛應(yīng)用。其原理是利用穩(wěn)定傳熱過程中，傳熱速率等于散熱速率的平衡狀態(tài)，根據(jù)傅里葉一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型，由通過試樣的熱流密度、兩側(cè)溫差和厚度，計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)。原理簡(jiǎn)單清晰，精確度高，但測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境條件要求較高。穩(wěn)態(tài)法適合在中等溫度下測(cè)量的導(dǎo)熱系數(shù)材料。適用于巖土、塑料、橡膠、玻璃、絕熱保溫材料等低導(dǎo)熱系數(shù)材料。目前常用的穩(wěn)態(tài)法有：熱流法、保護(hù)熱流法和保護(hù)熱板法。這些都是穩(wěn)態(tài)法，其實(shí)原理相似，只是針對(duì)不同的保溫材料，又制定了一些標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)測(cè)試結(jié)果是很接近的。（下面就一起看看穩(wěn)態(tài)法中的經(jīng)典——熱流法）熱流法熱流法是一種比較法，是用校正過的熱流傳感器測(cè)量通過樣品的熱流，得到的是導(dǎo)熱系數(shù)的絕對(duì)值。測(cè)量時(shí)，將厚度均勻的樣品插入于兩個(gè)平板間，設(shè)置一定的溫度梯度。使用校正過的熱流傳感器測(cè)量通過樣品的熱流，傳感器在平板與樣品之間和樣品接觸。測(cè)量樣品的厚度、上下板間的溫度梯度及通過樣品的熱流便可計(jì)算試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。（1）保護(hù)熱流法對(duì)于較大的、需要較高量程的樣品，可以使用保護(hù)熱流法導(dǎo)熱儀。其測(cè)試原理幾乎和普通的熱流法導(dǎo)熱儀相同。不同之處是測(cè)量單元被保護(hù)加熱器所包圍，因此測(cè)試溫度范圍和導(dǎo)熱系數(shù)范圍更寬。（2）保護(hù)熱板法熱板法或保護(hù)熱板法導(dǎo)熱儀的工作原理和使用熱板與冷板的熱流法導(dǎo)熱儀相似。熱源位于同一材料的兩塊樣品中間。使用兩塊樣品是為了獲得向上與向下方向?qū)ΨQ的熱流，并使加熱器的能量被測(cè)試樣品完全吸收。測(cè)量過程中，精確設(shè)定輸入到熱板上的能量。通過調(diào)整輸入到輔助加熱器上的能量，對(duì)熱源與輔助板之間的測(cè)量溫度和溫度梯度進(jìn)行調(diào)整。熱板周圍的保護(hù)加熱器與樣品的放置方式確保從熱板到輔助加熱器的熱流是線性的、一維的。輔助加熱器后是散熱器，散熱器和輔助加熱器接觸良好，確保熱量的移除與改善控制。測(cè)量加到熱板上的能量、溫度梯度及兩片樣品的厚度，應(yīng)用Fourier方程便能夠算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)。相對(duì)熱板法，保護(hù)熱板法的優(yōu)點(diǎn)是溫度范圍更廣（-180℃至650℃）與量程更廣（最高2W/m·K）。此外，保護(hù)熱板法使用的是絕對(duì)法——無需對(duì)測(cè)量單元進(jìn)行標(biāo)定。瞬態(tài)法（非穩(wěn)態(tài)法）瞬態(tài)法是最近幾十年內(nèi)開發(fā)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法，用于研究中、高導(dǎo)熱系數(shù)材料，或在高溫度條件下進(jìn)行測(cè)量。瞬態(tài)法的特點(diǎn)是測(cè)量速度快、測(cè)量范圍寬(最高能達(dá)到2000℃)、樣品制備簡(jiǎn)單。工作原理是：提供樣品——固定功率的熱源，記錄樣品本身溫度隨時(shí)間的變化情形，由時(shí)間與溫度變化的關(guān)系求得樣品的熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和熱容。瞬態(tài)法適合于測(cè)量高導(dǎo)熱系數(shù)材料或在高溫條件下的測(cè)量。適用于金屬、石墨烯、合金、陶瓷、粉末、纖維等同質(zhì)均勻的材料。目前常用的瞬態(tài)法有：熱線法、激光閃射法和瞬變平面熱源法。（1）熱線法熱線法是應(yīng)用比較多的方法，是在樣品（通常為大的塊狀樣品）中插入一根熱線。測(cè)試時(shí)，在熱線上施加一個(gè)恒定的加熱功率，使其溫度上升。測(cè)量熱線本身或平行于熱線的一定距離上的溫度隨時(shí)間上升的關(guān)系。由于被測(cè)材料的導(dǎo)熱性能決定這一關(guān)系，由此可得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)。這種方法測(cè)量時(shí)間比較短，所測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍一般是0.1W/mK到幾十。優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品價(jià)格便宜，測(cè)量速度快，對(duì)樣品尺寸要求不太嚴(yán)格。缺點(diǎn)是分析誤差比較大，一般為5%~10%。（2）激光閃射法又稱激光擴(kuò)散法或閃光擴(kuò)散法。應(yīng)用激光閃射法時(shí)，樣品在爐體中被加熱到所需的測(cè)試溫度。隨后，由激光器產(chǎn)生的一束短促激光脈沖對(duì)樣品的前表面進(jìn)行加熱。熱量在樣品中擴(kuò)散，使樣品背部的溫度上升。用紅外探測(cè)器測(cè)量溫度隨時(shí)間上升的關(guān)系，然后結(jié)合樣品本身的比熱和密度等參數(shù)來計(jì)算材料的導(dǎo)熱性能。其特點(diǎn)是所需樣品尺寸小，樣品形狀和樣品的材質(zhì)不受限制，同時(shí)可以測(cè)量熱擴(kuò)散速率等參數(shù)，但重復(fù)性和準(zhǔn)確性比較差，人為因素影響明顯。激光閃射法的特點(diǎn)是:測(cè)量范圍很寬(0.1~2000W/mK)，測(cè)量溫度廣(-110~2000℃),但測(cè)得的是材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，還需要知道試樣的比熱和密度，才能通過計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)，而測(cè)定熱態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)還需要膨脹系數(shù)的數(shù)值，只適用于各向同性、均質(zhì)、不透光的材料。（此外，激光閃射法還能夠用比較法直接測(cè)試樣品的比熱，但是推薦使用差示掃描量熱儀，該方法的比熱測(cè)量精確度更高。）（3）瞬變平面熱源法瞬變平面熱源法是在試件上貼上探頭，通過多元函數(shù)對(duì)試樣表面溫度的響應(yīng)進(jìn)行擬合后便可計(jì)算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)，適用廣泛，快捷，但精確度不一定高。瞬態(tài)平面熱源法的原理是基于無限大介質(zhì)中階躍加熱的圓盤形熱源產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度響應(yīng)。利用熱阻性材料做成一個(gè)平面的探頭，同時(shí)作為熱源和溫度傳感器。在測(cè)試過程中，探頭被放置于中間進(jìn)行測(cè)試。電流通過時(shí)，產(chǎn)生一定的溫度上升，產(chǎn)生的熱量同時(shí)向探頭兩側(cè)的樣品進(jìn)行擴(kuò)散，熱擴(kuò)散的速度依賴于材料的熱傳導(dǎo)特性。通過記錄溫度與探頭的響應(yīng)間，由數(shù)學(xué)模型可以直接得到導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率。其特點(diǎn)是測(cè)試方法簡(jiǎn)單，測(cè)試速度快。TPS測(cè)試符合ISO22007