熱導率測量方法

1. 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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2. 導熱率的測量方法

通常，根據導熱機理不同，導熱系數測量方法分為穩態法和瞬態法（也叫做非穩態法）兩大類。
穩態法是咐和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。其原理是利用穩衡拆盯定傳熱過程中，傳熱速率等於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，對樣品和環境條件要求較高。 激光閃射法 的測量范圍很寬，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λ，而測定熱態下的導熱系數還需要膨脹系數的數值，只適用御前於各向同性、均質、不透光的材料；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後便可計算出材料的導熱系數，適用廣泛，快捷，但針對導熱系數的測量精確度不一定高。

3. 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】

4. 導熱系數的測定

測量固體的導熱系數有兩種方法如猜：穩態返叢法和非穩態法（即瞬態法）。穩態法就是當待測試樣上溫度分布達到穩定後,通過測量試樣內的溫度分布和穿過試樣的熱流來測出導熱系數。

最簡單的就是將固體試樣製成一塊厚度均勻的平板,放在一個絕熱的裝置里,從試樣一側加熱,在另一側散熱,試樣四周嚴格絕熱保溫。用一個補償加熱器維持裝置內的溫度穩定。試樣應該較大,以便能適用一維導熱假設。

這樣,待測試樣的導熱系數為：k = (Q / A) / (dT/dx) （2）穩態法通常要求試樣質地均勻、乾燥（含濕會影響測定精度）、平直、表面光滑。

如果採用電加熱,Q就是指電加熱裝置的瓦數（W）。但是,用於散熱補償的另一個小加熱功率不應算在Q內,因為這一部分熱流並未穿過試樣正面傳導到另一側。