導熱系數的測量方法優缺點

㈠ 導熱系數測試方法有哪些

從傳熱機理上分，包括穩態法和非穩態法；穩態法包括平板法、護板法、熱流計法等；非穩態法又稱為瞬態法，包括熱線法、熱盤法、激光法等。

根據試樣的形狀又可以分為平板法、圓柱體法、圓球法、熱線法等。

熱線法導熱系數測定儀用於測定非金屬固體材料的導熱系數，應用於建築、建材、節能、環保、輕工、化工、醫療等各個領域的材料的導熱系數的測定。

符合標准：

GB 10297-1998 《非金屬固體材料導熱系數的測定方法 熱線法》

熱線法測定材料導熱系數是一種非穩態方法，具有測試裝置簡單和測量時間短的優點。其原理是在勻溫的各向同性均質試樣中放置一根電阻絲，即所謂的熱線，當熱線以恆定功率放熱時，熱線和其附近試祥的溫度將會隨時間升高。根據其溫度隨時間變化的關系，可確定試樣的導熱系數。平板法導熱系數測試儀主要用於測試紡織物、陶瓷纖維、氈、板、磚等耐火保溫材料在不同溫度下的導熱系數。

符合標准：

GB/T 17911-2006《耐火材料 陶瓷纖維製品試驗方法》

YB/T 4130-2005《耐火材料 導熱系數試驗方法(水流量平板法)》

更多可參考 【標准集團】

㈡ 導熱系數測試方法的綜述:導熱系數測試方法

摘 要：本文介紹了導熱系數的五種測試方法，描述各種方法的測試原理及其計算方法。材料導熱系數測試方法各有其特點，在選擇時，應該充分考慮測試材料的性質、導熱系數范圍、測試溫度等。
關鍵詞：導熱系數；熱流計法；防護熱板法；圓管法；熱線法；閃光法

1 前 言

導熱系數是指在穩定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側表面的溫差為1K，在1s內，通過1m2面積傳遞的熱量，用λ表示，單位為W/m・K。陶瓷材料的導熱系數是測量其熱物理性質的關鍵。陶瓷耐火材料常被用作爐子的襯套，因為它們既能耐高溫，又具有良好的絕熱特性，可以減少生產中的能量損耗。太空梭常使用陶瓷瓦作擋熱板。陶瓷瓦能承受太空梭回到地球大氣層時產生的高溫，有效防止航天器內部關鍵部件的損壞。在現代化的燃氣渦輪電站，渦輪的葉片上的陶瓷塗層（如穩定氧化鋯）能保護金屬基材不受腐蝕，降低基材上的熱應力。作為有效的散熱器能保護集成電路板與其它電子設備不受高溫損壞，陶瓷已經成為微電子工業領域的關鍵材料。若要在和熱相關的領域使用陶瓷材料，則要求精確測量它們的物理性能。
熱量傳遞的三種基本方式是：對流、輻射與傳導。對流是流體與氣體的主要傳熱方式，對固態與多孔材料傳熱不起重要作用。對於半透明與透明陶瓷材料，尤其在高溫情況下，必須考慮輻射傳熱，除了材料的光學性質外，邊界狀況亦能影響傳熱。對於陶瓷材料而言，傳導是最重要的傳熱方式，熱量的傳導基於材料的導熱性能――傳導熱量的能力。

2 導熱系數的測試方法

常用的導熱系數測試方法有：熱流計法、防護熱板法、圓管法、熱線法、閃光法。
（1） 熱流計法
熱流計法[1]是一種間接或相對的方法。它是測試試件的熱阻與標准試件熱阻的比值。當熱板和冷板在恆定溫度和溫差的穩定狀態下，熱流計裝置在熱流計中心區域和試件中心區域建立一個單向穩定熱流密度，該熱流穿過一個（或兩個）熱流計的測量區域及一個（或兩個接近相同）試件的中間區域。假定測量區域具有穩定的熱流密度，以及穩定的溫差和平均溫度。用標准試件測得的熱流量為Qs、為熱阻Rs，被測試件測得的熱流量為Qu、熱阻為Ru，其比值為：
由式（1）可計算出Ru，如果滿足確定導熱系數的條件，且試件厚度d已知，可由公式（2）算出試件的導熱系數λ。
（2） 防護熱板法
防護熱板法[2]的工作原理和熱流法相似，其測試方法是目前公認的准確度最高的，可用於基準樣品的標定和其他儀器的校準，其實驗裝置多採用雙試件結構。其原理是在穩態條件下，在具有平行表面的均勻板狀試件內，建立類似於兩個平行的溫度均勻的平面為界的無限大平板中存在的一維的均勻熱流密度。雙試件裝置中，由兩個幾乎相同的試件組成，然後其中夾一個加熱單元，加熱單元由一個圓或方形的中間加熱器和兩塊金屬板組成。熱流量由加熱單元分別經兩側試件傳給兩側冷卻單元。當計量單元達到穩定傳熱狀態後，測量出熱流量φ以及此熱流量流過的計量面的面積A，即可確定熱流密度q。由固旦皮定於金屬板表面或在粗遲裂試件表面適當位置的溫度感測器測量試件兩側的溫度差ΔT，熱阻R可由Q、A和ΔT計算得出，計算方法如下：
當滿足一定條件時，測定試件的厚度d，由式（2）可計算出試件的平均導熱系數λ。
（3） 圓管法
圓管法[3]是根據圓筒壁一維穩態導熱原理，測定單層或多層圓管絕熱結構導熱系數的一種方法。根據傅立葉定律，在一維、徑向、穩態導熱的條件下，管狀絕熱材料的結岩閉構導熱系數可採用式（4）計算：
式中：
Q――通過絕熱材料的熱量，W；
d2――絕熱材料外表面直徑，m；
d1――絕熱材料內表面直徑，m；
t2――絕熱材料外表面溫度，℃；
t1――絕熱材料內表面溫度，℃；
l――絕熱材料的有效長度，m。
如果絕熱材料在管道上使用，則必須根據使用狀況用圓管法進行測定。因為圓管法能將絕熱材料在管道上的實際使用狀況，如絕熱材料間的縫隙及材料的彎曲等因素都反映在測試結果中。
（4） 熱線法
熱線法[4]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，在熱線上施加一個恆定的加熱功率，使其溫度上升。由於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，可採用式（5）計算：
式中：
λ――導熱系數，W/(m・K)；
I――熱線加熱電流，A；
U――熱線A、B間的端電壓，V；
L――電壓引出端A、B間熱線的長度，m；
R――測定溫度下熱線A、B間的電阻，Ω；
t1、t2――從加熱時起至測量時刻的時間，s；
θ1、θ2――t1和t2時刻熱線的溫升，℃。
這種方法的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％。這種方法不僅適用於乾燥材料，而且還適用於含濕材料。該法適用於導熱系數小於2W/m・K的各向同性均質材料導熱系數的測定。
（5） 閃光法
閃光法[5]可看作是一種絕對的試驗方法，適用測量溫度為75~2800K，熱擴散系數在10-7~10-3m2/s時的均勻各向同性固體材料。測試原理為：小的圓薄片試樣受高強度短時能量脈沖輻射，試樣正面吸收脈沖能量使背面溫度升高，記錄試樣背面溫度的變化。根據試樣厚度和背面溫度達到最大值的某一百分率所需時間，計算出試樣的熱擴散系數（α），然後根據材料的熱擴散系數和體積密度及比熱容，計算出材料的導熱系數(λ)。熱擴散系數和導熱系數的計算公式如（6）和（7）：
α＝0.13879L2/t1/2（6）
式中：
α――熱擴散系數，m2/s；
L――試樣厚度，m；
t1/2――起始脈沖開始到試樣背面溫度升至最高時所需的一半時間，s。
λ=αcpρ（7）
式中：
λ――導熱系數，W/m・K；
α――熱擴散系數，m2/s；
cp――試樣比熱容，J/（kg・K）；
ρ――試樣體積密度，kg/m3。
從原理上講，試樣的熱擴散系數根據試樣的厚度、熱量從正面傳遞到背面的特徵時間函數來確定。試驗的不確定度和很多因素有關，包括試驗本身、測定的溫度、探測器性能、數據採集系統、數據分析（特別是有限脈沖時間的影響）、試驗的不均勻加熱和熱輻射損失。對這些不確定度的原因可進行系統考慮，並對每次試驗進行仔細分析。該方法具有試樣幾何結構簡單、尺寸小、易於加工、測速快、設備單一等特點。

3 結 語

材料的導熱系數測試方法主要有熱流法、防護熱板法、圓管法、熱線法以及閃光法。各種方法都有不同的特點，應綜合考慮被測試樣的性質、形狀、導熱系數的范圍、測量溫度等因素，選用合適的導熱系數測試方法。

參考文獻
[1] GB/T 10295-2008,絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定熱流
法.
[2] GB/T 10294-2008,絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護
熱板法.
[3] GB/T 10296-2008,絕熱層穩態傳熱性質的測定圓管法.
[4] GB/T 10297-1998,非金屬固體材料導熱系數的測定方法.
[5] GB/T 22588-2008,閃光法測量熱擴散系數或導熱系數.
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㈢ 導熱系數測試方法簡介

導熱系數是表徵導熱材料性能，優劣重要的參數之一， 也是使用者最為關注的技術指標。

導熱系數的定義是： 在穩定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側表面的溫差為1度（K，℃），在1秒內（1s），通過1平方米面積傳遞的熱量，單位為瓦/米·度（W/(m·K)，此處為K可用℃代替）。

材料的導熱系數搏洞擾不僅與材料的物質種類有關，而且與它的微觀結構、填料含量等有密切聯系。在科學實驗和工程設計中，所用材料的導熱系數都需要用實驗的方法精確測定。 導熱系數的測定方法發展到現在已經有了許多種，它們有不同的適用領域、測量范圍、精度、准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的。

       目前導熱系數的測定方法分為穩態法和非穩態法兩大類，具有各自不同的測試原理。在導熱硅膠行業中，常見的測試方法是穩態熱板法（參照標准：ASTM D5470），瞬態平面熱源法（參照標准：ISO 22007-2）。

下文將為大家介紹上述兩種測試方法以及使用的測試儀器。

一、ASTM D5470

薄型導熱固態電絕緣材料熱傳輸特性的標准測試方法

該方法採用的是通常所說的穩態熱流法，其測試原理是將一定厚度的樣品置於上下兩個平板間，對樣品施加一定的熱流量和壓力，使用熱流感測器測量通過樣品的熱流、測試樣品的厚度、熱板/ 冷板間的溫度梯度，然後得出不同厚度下對應的熱阻數據作直線擬合得出樣品的導熱系數。

這種方法的優點是：

①可以 測試產品的熱阻與導熱系數；

②特別適合模擬產品在實際工況下的使用狀態。

缺點是：

①對產品的厚度有一定要求；

②接觸熱阻會影響測試結果；

③為了到達穩態，測試所需時間較長。

穩態熱板法原理圖

傅里葉定律：

熱阻：

導熱系數：

常用的測試設備如下：

DRL-II型導熱系數測試儀（圖）

DRL-III型導熱系數測試儀（圖）

LW-9389型界面材料熱阻及熱傳導系數儀（圖）

二、ISO 22007-2-2008 塑料

 熱傳導率和熱擴散率的測定

        瞬態平面熱源法(TPS)是目前研究材料導熱性能的方法中最方便、精確的一種，由熱線法改進而來。這種方法採用一個瞬間熱平面探頭（Hot Disk探頭），我們也將其稱之為Hot Disk法。Hot Disk探頭由熱阻性材料鎳制顫源成，包覆有絕緣材料（聚醯亞胺，雲母等），探頭帶自加熱功能。

這種方法的原理是，將帶有自加熱功能的溫度探頭放置於樣品中，測試時在探頭上施加一個恆定的加熱功率，使其溫度上升。鎳的熱電阻系數— 溫度和電阻的關系呈線性關系，即可通過了解基旦電阻的變化可以知道熱量的損失，從而反映樣品的導熱性能。然後測量探頭本身和與探頭相隔一定距離的圓球面上的溫度隨時間上升的關系，通過數學模型擬合同時得到樣品的導熱系數和熱擴散系數。

圖 包覆聚醯亞胺的Hot Disk 探頭

Hot Disk 固體樣品放置示意圖

這種方法的優點是：

①能夠同時測量熱導率、熱擴散率以及單位體積的熱容；

②測試范圍廣(0.005～500W/m· K)、精度高(±3%)、重復性好 (±1%)、測量時間短(單次測量 3~5min)和操作簡便；

③可測試的樣品種類多(液體、粉末、凝膠、高分子、復合材料等 )；

④不受接觸熱阻的影響，其測試結果更貼近於材料本身的導熱系數。

缺點是此方法適用於測均質材料的導熱系數，不適合用於測各向異性材料(如石墨片 )。

典型的測試設備是瑞典的Hot Disk導熱測試儀

圖 Hot Disk導熱測試儀

導熱系數是材料本身的參數，與形狀大小無關。目前已有大量的導熱測試方法，但沒有任何一種方法能適用於所有產品、所有場合。產品品特性、測試標准、測試環境等都會對導熱系數的結果產生影響。材料的導熱系數不能用不同測試方法得到的數據進行對比。要得到准確和有參考意義的結果，必須選擇合適的測試方法進行測量。

最後附上我們整理的一些測試導熱系數的標准方法：

一、穩態法

GB/T 3651-2008 金屬高溫導熱系數測量方法

GB/T8722-2008 石墨材料中溫導熱系數測定方法

GB/T 10294-2008 絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定——防護熱板法

GB/T10295-2008 絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定——熱流計法

GB/T 10296-2008 絕熱層穩態傳熱性質的測定——圓管法

GB/T 17357-2008 設備及管道絕熱層表面熱損失現場測定——熱流計法

YBT4130-2005 耐火材料導熱系數試驗方法 水流量平板法

ASTM C177-10 用護熱板法儀器測定穩態熱流和傳熱性能的標准測試方法

ASTMC182-1998 隔熱耐火磚導熱系數標准測試方法

ASTM C201-1998 耐火材料導熱系數標准測試方法

ASTM C202-1998 耐火磚導熱系數標准測試方法

ASTM  C335-05a 卧式隔熱管穩態傳熱特性標准測試方法

ASTM C518-04 用熱流計裝置的穩態熱傳輸性能標准測試方法

ASTM C680-08 採用計算機程序估算板狀、柱狀和球狀系統表面溫度和熱量增減的標准操作規范

ASTM  C687-07 酥鬆填充式建築隔熱材料熱阻測量的標准操作規范

ASTM  C1043-06 防護熱板法設計中採用環形線加熱源標准操作規范

ASTM  C1044-07 在單試樣模式中採用保護熱板裝置或薄加熱器裝置的標准操作規范

ASTM  C1113-2004 熱線法（鉑電阻溫度計技術）耐火材料導熱系數標准測試方法

ASTM C1114-06 用薄加熱器裝置的穩態熱傳輸性能標准測試方法

ASTM D5470-2012 薄型導熱固態電絕緣材料熱傳輸特性的標准測試方法

ASTM D6744-01 採用保護熱流計技術測定陽極碳熱導率標准試驗方法

ASTM  E1225-04 採用保護比較式縱向熱流技術測定固體熱導率標准試驗方法

ASTM  E1530-06 採用防護熱流計技術評價材料熱阻的標准測試方法

ASTM  F433-02 墊片類材料熱導率評價標准規程

二、瞬態法

GJB 1201.1-1991 固體材料高溫熱擴散率試驗方法 激光脈沖法

GB/T 5990-2006 耐火材料 導熱系數試驗方法 熱線法

GBT  10297-1998非金屬固體材料導熱系數測定方法

GBT 22588-2008 閃光法測量熱擴散系數或導熱系數

ASTM C714-05 熱脈沖法測量碳和石墨熱擴散率標准試驗方法

ASTM C5334-00 熱探針法確定土壤和軟岩石導熱系數的的標准測試方法

ASTM  D5930-01 採用瞬態線熱源技術確定塑料導熱系數的標准測試方法

ISO  13826-2013 金屬及其他無機塗層-通過激光脈沖法測定熱噴塗陶瓷塗層的熱擴散率

ISO-DIS  18555 2014 金屬和其它無機塗層——熱障塗層熱導率的測定

ISO-FDIS 18755-2004 精製陶瓷（先進陶瓷、先進技術陶瓷）——採用激光閃光法測定陶瓷片熱擴散率

ISO 22007-2-2008 塑料.熱傳導率和熱擴散率的測定.第2部分 瞬態平面熱源法

三、准穩態法

ASTM E2584-07 用熱容量熱計（插片式）測量材料熱導率標准實施規程

原文出處： 中國熱管理網  導熱系數測試方法簡介

㈣ 導熱硅膠片導熱系數常用的測定方法有哪幾種

樓主您好，GLPOLY導熱材料您身邊的熱管理解決方案專家為您解答：
導熱硅膠片導熱系數是導熱硅膠片最重要的一個性能參數，也是客戶最關心，最想了解的一個性能參數，但其實大多數客戶對導熱硅膠片（www.glpoly.com.cn）導熱系數的測定方法有哪些並不是很了解。目前在導熱硅膠片行業中導熱系數及其導熱性能測試方法中主要有三種主流方法：熱板法(Hot Plate)/熱流計法(Heat Flow Meter)、激光散光法(Laser Flash)和Hot Disk(TPS技術)。以下就這三種測試方法給大家進行一個簡單介紹及比較。
1. 熱板法(Hot Plate)/熱流計法(Heat Flow Meter)穩態法，原理是Fourier傳熱方程式計演算法：
dQ=-λdA·dt/dn
其中：式中 Q-----導熱速率，w;
A------導熱面積，m2;
dt/dn-----溫度梯度，K/m;
λ------導熱系數，w/m·K;
測試過程中對樣品施加一定的熱流量，測試樣品的厚度和在熱板/冷板間的溫度差，得到樣品的導熱系數，測試過程中需要樣品為常規形狀的大塊體以獲得足夠的溫度差。誤差來源：熱板/冷板中的樣品沒有很好的進行保護，存在一定的熱損失。測溫元件是熱電偶，將熱板/冷板間隙的界面影響都計算在內。第一個誤差來源令這個方法不適合導熱系數>2W/mK的樣品，熱損失太大，而且溫度越高，誤差越大。第二個誤差來源實際是將接觸熱阻也計算在內，溫度差偏大，因此實際測得的導熱系數偏低。另外，這一方法只能提供導熱系數的數據，精度為5%。
2. 激光散光法(Laser Flash)
瞬態法，其原理是一束激光打在樣品上表面，用紅外檢測器測下表面的溫度變化，實際測得的數據是樣品的熱擴散率，通過與標准樣品的比較，同時得到樣品的密度和比熱，通過Cp=λ/H, H----熱擴散系數，m2/s;λ----導熱系數，w/m·K;Cp----體積比熱，J/m3·K，並通過數據計算得到樣品的導熱系數。此測試方式優點是快速，非接觸法，適合高溫，高導熱樣品，但不適合多層結構、塗層、泡沫、液體、各向異性材料等。原因是激光法測試的是熱擴散率，數學模式建立在各向同性材料的基礎上，如為多層結構、塗層，或樣品存在吸收/輻射，則測得樣品的比熱出現較大偏差。另外，還需要用其他方法測得密度，才能折算為導熱系數，增加了誤差的來源。通常，激光脈沖法精度為熱擴散率3%，比熱7%，導熱系數10%。
3、Hot Disk(TPS技術)
樣品尺寸：固體：直徑或邊長大於2mm，厚度大於0.5mm(2個一模一樣)，樣品可以為不規則形狀，只要上下表面平整即可；導熱系數范圍: 0.005―500 W/mK 。溫度范圍: 室溫 ― 700°C，測試原理：瞬變平面熱源技術（TPS），測試模塊：基本、薄膜、平板、各向異性、單面、比熱。探頭尺寸：2-29.40 mm 。
以上三點就是目前導熱材料行業最常用到的導熱硅膠片導熱系數的測定方法，相信通過以上介紹，大家已經對測定導熱硅膠片導熱系數的方法有了一個初步的了解了。雖然導熱硅膠片導熱系數很重要，但客戶在選購時並不是說導熱硅膠片導熱系數越高越好，而是要根據自身產品的散熱需求來選擇合適的導熱硅膠片，因為通常情況下，導熱硅膠片導熱系數越高價格也會越貴。