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幾種常見的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法
閱讀：1944 發(fā)布時(shí)間：2023-9-21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攝氏度（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),。
（熱流法測(cè)量原理）
（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：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
（熱線法測(cè)量原理）
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)：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)試符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)論
隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展,，導(dǎo)熱高分子材料的市場(chǎng)越來越大,。導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)于材料的應(yīng)用十分重要,，因此必須精確測(cè)量這些性質(zhì),。由于導(dǎo)熱性能有許多種測(cè)量方法，事先必須考慮到材料導(dǎo)熱系數(shù)的大致范圍以及使用溫度的大致范圍,，以選用正確的測(cè)量方法,。