幾種常見的導熱系數測試方法

發布日期：2023-09-21      瀏覽次數：2663

           前言

      導熱系數：物體傳導熱量的能力，又稱為熱導率，是材料的熱物性參數之一，也是固體最重要的熱物性參數。定義為在穩定傳熱條件下，1米厚的材料，兩側表面的溫差為1攝氏度（K，℃），在1秒鐘內（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）。導熱系數的測定方法現已發展了多種，它們有不同的適用領域、測量范圍、精度、準確度和試樣尺寸要求等，不同方法對同一樣品的測量結果可能會有較大的差別，因此選擇合適的測試方法是首要考慮的。 

目前導熱系數的測定方法分為穩態法和瞬態法（也叫非穩態法）兩大類。

 穩態法

      穩態法是經典的保溫材料的導熱系數測定方法，至今仍受到廣泛應用。其原理是利用穩定傳熱過程中，傳熱速率等于散熱速率的平衡狀態，根據傅里葉一維穩態熱傳導模型，由通過試樣的熱流密度、兩側溫差和厚度，計算得到導熱系數。原理簡單清晰，精確度高，但測量時間較長，對環境條件要求較高。穩態法適合在中等溫度下測量的導熱系數材料。適用于巖土、塑料、橡膠、玻璃、絕熱保溫材料等低導熱系數材料。  

      目前常用的穩態法有：熱流法、保護熱流法和保護熱板法。這些都是穩態法，其實原理相似，只是針對不同的保溫材料，又制定了一些標準，其實測試結果是很接近的。（下面就一起看看穩態法中的經典——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，得到的是導熱系數的絕對值。測量時，將厚度均勻的樣品插入于兩個平板間，設置一定的溫度梯度。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算試樣的導熱系數。






                                             （熱流法測量原理）


 




（1）保護熱流法


     對于較大的、需要較高量程的樣品，可以使用保護熱流法導熱儀。其測試原理幾乎和普通的熱流法導熱儀相同。不同之處是測量單元被保護加熱器所包圍，因此測試溫度范圍和導熱系數范圍更寬。

 






（2）保護熱板法

      熱板法或保護熱板法導熱儀的工作原理和使用熱板與冷板的熱流法導熱儀相似。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對稱的熱流，并使加熱器的能量被測試樣品吸收。測量過程中，精確設定輸入到熱板上的能量。通過調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行調整。熱板周圍的保護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，應用Fourier方程便能夠算出材料的導熱系數。






     相對熱板法，保護熱板法的優點是溫度范圍更廣（-180℃至650℃）與量程更廣（最高2W/m·K）。此外，保護熱板法使用的是絕對法——無需對測量單元進行標定。

 

 

瞬態法（非穩態法）

     瞬態法是最近幾十年內開發的導熱系數測量方法，用于研究中、高導熱系數材料，或在高溫度條件下進行測量。瞬態法的特點是測量速度快、測量范圍寬(最高能達到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間的變化情形，由時間與溫度變化的關系求得樣品的熱傳導系數、熱擴散系數和熱容。

 

      瞬態法適合于測量高導熱系數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、纖維等同質均勻的材料。

 

     目前常用的瞬態法有：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，在熱線上施加一個恒定的加熱功率，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間上升的關系。由于被測材料的導熱性能決定這一關系，由此可得到材料的導熱系數。這種方法測量時間比較短，所測量材料的導熱系數范圍一般是0.1W/mK 到幾十。優點是產品價格便宜，測量速度快，對樣品尺寸要求不太嚴格。缺點是分析誤差比較大，一般為5%~10%。

 

（2）激光閃射法

      又稱激光擴散法或閃光擴散法。應用激光閃射法時，樣品在爐體中被加熱到所需的測試溫度。隨后，由激光器產生的一束短促激光脈沖對樣品的前表面進行加熱。熱量在樣品中擴散，使樣品背部的溫度上升。用紅外探測器測量溫度隨時間上升的關系，然后結合樣品本身的比熱和密度等參數來計算材料的導熱性能。其特點是所需樣品尺寸小，樣品形狀和樣品的材質不受限制，同時可以測量熱擴散速率等參數，但重復性和準確性比較差，人為因素影響明顯。






     激光閃射法的特點：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散系數，還需要知道試樣的比熱和密度，才能通過計算得到導熱系數，而測定熱態下的導熱系數還需要膨脹系數的數值，只適用于各向同性、均質、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，通過多元函數對試樣表面溫度的響應進行擬合后便可計算出材料的導熱系數，適用廣泛，快捷，但精確度不一定高。

 

     瞬態平面熱源法的原理是基于無限大介質中階躍加熱的圓盤形熱源產生的瞬態溫度響應。利用熱阻性材料做成一個平面的探頭，同時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行測試。電流通過時，產生一定的溫度上升，產生的熱量同時向探頭兩側的樣品進行擴散，熱擴散的速度依賴于材料的熱傳導特性。通過記錄溫度與探頭的響應間，由數學模型可以直接得到導熱系數和熱擴散率。其特點是測試方法簡單，測試速度快。TPS測試符合相關標準。









結論

     隨著電子技術的高速發展，導熱高分子材料的市場越來越大。導熱系數，對于材料的應用十分重要，因此必須精確測量這些性質。由于導熱性能有許多種測量方法，事先必須考慮到材料導熱系數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。