幾種常見的導(dǎo)熱系數(shù)測試方法

發(fā)布日期：2023-09-21      瀏覽次數(shù)：1317

           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)的測定方法現(xiàn)已發(fā)展了多種，它們有不同的適用領(lǐng)域、測量范圍、精度、準(zhǔn)確度和試樣尺寸要求等，不同方法對同一樣品的測量結(jié)果可能會(huì)有較大的差別，因此選擇合適的測試方法是首要考慮的。 

目前導(dǎo)熱系數(shù)的測定方法分為穩(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)。原理簡單清晰，精確度高，但測量時(shí)間較長，對環(huán)境條件要求較高。穩(wěn)態(tài)法適合在中等溫度下測量的導(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，只是針對不同的保溫材料，又制定了一些標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)測試結(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量通過樣品的熱流，得到的是導(dǎo)熱系數(shù)的絕對值。測量時(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)。






                                             （熱流法測量原理）


 




（1）保護(hù)熱流法


     對于較大的、需要較高量程的樣品，可以使用保護(hù)熱流法導(dǎo)熱儀。其測試原理幾乎和普通的熱流法導(dǎo)熱儀相同。不同之處是測量單元被保護(hù)加熱器所包圍，因此測試溫度范圍和導(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試樣品吸收。測量過程中，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，對熱源與輔助板之間的測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法——無需對測量單元進(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)行測量。瞬態(tài)法的特點(diǎn)是測量速度快、測量范圍寬(最高能達(dá)到2000℃)、樣品制備簡單。

 

     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)法適合于測量高導(dǎo)熱系數(shù)材料或在高溫條件下的測量。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)。這種方法測量時(shí)間比較短，所測量材料的導(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，測量速度快，對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試溫度。隨后，由激光器產(chǎn)生的一束短促激光脈沖對樣品的前表面進(jìn)行加熱。熱量在樣品中擴(kuò)散，使樣品背部的溫度上升。用紅外探測器測量溫度隨時(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)：測量范圍很寬(0.1~2000W/mK)，測量溫度廣(-110~2000℃)，但測得的是材料的熱擴(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。在測試過程中，探頭被放置于中間進(jìn)行測試。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)是測試方法簡單，測試速度快。TPS測試符合相關(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越來越大。導(dǎo)熱系數(shù)，對于材料的應(yīng)用十分重要，因此必須精確測量這些性質(zhì)。由于導(dǎo)熱性能有許多種測量方法，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，以選用正確的測量方法。