导热系数的测量方法优缺点

㈠ 导热系数测试方法有哪些

从传热机理上分，包括稳态法和非稳态法；稳态法包括平板法、护板法、热流计法等；非稳态法又称为瞬态法，包括热线法、热盘法、激光法等。

根据试样的形状又可以分为平板法、圆柱体法、圆球法、热线法等。

热线法导热系数测定仪用于测定非金属固体材料的导热系数，应用于建筑、建材、节能、环保、轻工、化工、医疗等各个领域的材料的导热系数的测定。

符合标准：

GB 10297-1998 《非金属固体材料导热系数的测定方法 热线法》

热线法测定材料导热系数是一种非稳态方法，具有测试装置简单和测量时间短的优点。其原理是在匀温的各向同性均质试样中放置一根电阻丝，即所谓的热线，当热线以恒定功率放热时，热线和其附近试祥的温度将会随时间升高。根据其温度随时间变化的关系，可确定试样的导热系数。平板法导热系数测试仪主要用于测试纺织物、陶瓷纤维、毡、板、砖等耐火保温材料在不同温度下的导热系数。

符合标准：

GB/T 17911-2006《耐火材料 陶瓷纤维制品试验方法》

YB/T 4130-2005《耐火材料 导热系数试验方法(水流量平板法)》

更多可参考 【标准集团】

㈡ 导热系数测试方法的综述:导热系数测试方法

摘 要：本文介绍了导热系数的五种测试方法，描述各种方法的测试原理及其计算方法。材料导热系数测试方法各有其特点，在选择时，应该充分考虑测试材料的性质、导热系数范围、测试温度等。
关键词：导热系数；热流计法；防护热板法；圆管法；热线法；闪光法

1 前 言

导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1K，在1s内，通过1m2面积传递的热量，用λ表示，单位为W/m・K。陶瓷材料的导热系数是测量其热物理性质的关键。陶瓷耐火材料常被用作炉子的衬套，因为它们既能耐高温，又具有良好的绝热特性，可以减少生产中的能量损耗。航天飞机常使用陶瓷瓦作挡热板。陶瓷瓦能承受航天飞机回到地球大气层时产生的高温，有效防止航天器内部关键部件的损坏。在现代化的燃气涡轮电站，涡轮的叶片上的陶瓷涂层（如稳定氧化锆）能保护金属基材不受腐蚀，降低基材上的热应力。作为有效的散热器能保护集成电路板与其它电子设备不受高温损坏，陶瓷已经成为微电子工业领域的关键材料。若要在和热相关的领域使用陶瓷材料，则要求精确测量它们的物理性能。
热量传递的三种基本方式是：对流、辐射与传导。对流是流体与气体的主要传热方式，对固态与多孔材料传热不起重要作用。对于半透明与透明陶瓷材料，尤其在高温情况下，必须考虑辐射传热，除了材料的光学性质外，边界状况亦能影响传热。对于陶瓷材料而言，传导是最重要的传热方式，热量的传导基于材料的导热性能――传导热量的能力。

2 导热系数的测试方法

常用的导热系数测试方法有：热流计法、防护热板法、圆管法、热线法、闪光法。
（1） 热流计法
热流计法[1]是一种间接或相对的方法。它是测试试件的热阻与标准试件热阻的比值。当热板和冷板在恒定温度和温差的稳定状态下，热流计装置在热流计中心区域和试件中心区域建立一个单向稳定热流密度，该热流穿过一个（或两个）热流计的测量区域及一个（或两个接近相同）试件的中间区域。假定测量区域具有稳定的热流密度，以及稳定的温差和平均温度。用标准试件测得的热流量为Qs、为热阻Rs，被测试件测得的热流量为Qu、热阻为Ru，其比值为：
由式（1）可计算出Ru，如果满足确定导热系数的条件，且试件厚度d已知，可由公式（2）算出试件的导热系数λ。
（2） 防护热板法
防护热板法[2]的工作原理和热流法相似，其测试方法是目前公认的准确度最高的，可用于基准样品的标定和其他仪器的校准，其实验装置多采用双试件结构。其原理是在稳态条件下，在具有平行表面的均匀板状试件内，建立类似于两个平行的温度均匀的平面为界的无限大平板中存在的一维的均匀热流密度。双试件装置中，由两个几乎相同的试件组成，然后其中夹一个加热单元，加热单元由一个圆或方形的中间加热器和两块金属板组成。热流量由加热单元分别经两侧试件传给两侧冷却单元。当计量单元达到稳定传热状态后，测量出热流量φ以及此热流量流过的计量面的面积A，即可确定热流密度q。由固旦皮定于金属板表面或在粗迟裂试件表面适当位置的温度传感器测量试件两侧的温度差ΔT，热阻R可由Q、A和ΔT计算得出，计算方法如下：
当满足一定条件时，测定试件的厚度d，由式（2）可计算出试件的平均导热系数λ。
（3） 圆管法
圆管法[3]是根据圆筒壁一维稳态导热原理，测定单层或多层圆管绝热结构导热系数的一种方法。根据傅立叶定律，在一维、径向、稳态导热的条件下，管状绝热材料的结岩闭构导热系数可采用式（4）计算：
式中：
Q――通过绝热材料的热量，W；
d2――绝热材料外表面直径，m；
d1――绝热材料内表面直径，m；
t2――绝热材料外表面温度，℃；
t1――绝热材料内表面温度，℃；
l――绝热材料的有效长度，m。
如果绝热材料在管道上使用，则必须根据使用状况用圆管法进行测定。因为圆管法能将绝热材料在管道上的实际使用状况，如绝热材料间的缝隙及材料的弯曲等因素都反映在测试结果中。
（4） 热线法
热线法[4]是应用比较多的方法，是在样品（通常为大的块状样品）中插入一根热线。测试时，在热线上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升。由于被测材料的导热性能决定这一关系，由此可得到材料的导热系数，可采用式（5）计算：
式中：
λ――导热系数，W/(m・K)；
I――热线加热电流，A；
U――热线A、B间的端电压，V；
L――电压引出端A、B间热线的长度，m；
R――测定温度下热线A、B间的电阻，Ω；
t1、t2――从加热时起至测量时刻的时间，s；
θ1、θ2――t1和t2时刻热线的温升，℃。
这种方法的优点是产品价格便宜、测量速度快，对样品尺寸要求不太严格。缺点是分析误差比较大，一般为 5％~10％。这种方法不仅适用于干燥材料，而且还适用于含湿材料。该法适用于导热系数小于2W/m・K的各向同性均质材料导热系数的测定。
（5） 闪光法
闪光法[5]可看作是一种绝对的试验方法，适用测量温度为75~2800K，热扩散系数在10-7~10-3m2/s时的均匀各向同性固体材料。测试原理为：小的圆薄片试样受高强度短时能量脉冲辐射，试样正面吸收脉冲能量使背面温度升高，记录试样背面温度的变化。根据试样厚度和背面温度达到最大值的某一百分率所需时间，计算出试样的热扩散系数（α），然后根据材料的热扩散系数和体积密度及比热容，计算出材料的导热系数(λ)。热扩散系数和导热系数的计算公式如（6）和（7）：
α＝0.13879L2/t1/2（6）
式中：
α――热扩散系数，m2/s；
L――试样厚度，m；
t1/2――起始脉冲开始到试样背面温度升至最高时所需的一半时间，s。
λ=αcpρ（7）
式中：
λ――导热系数，W/m・K；
α――热扩散系数，m2/s；
cp――试样比热容，J/（kg・K）；
ρ――试样体积密度，kg/m3。
从原理上讲，试样的热扩散系数根据试样的厚度、热量从正面传递到背面的特征时间函数来确定。试验的不确定度和很多因素有关，包括试验本身、测定的温度、探测器性能、数据采集系统、数据分析（特别是有限脉冲时间的影响）、试验的不均匀加热和热辐射损失。对这些不确定度的原因可进行系统考虑，并对每次试验进行仔细分析。该方法具有试样几何结构简单、尺寸小、易于加工、测速快、设备单一等特点。

3 结 语

材料的导热系数测试方法主要有热流法、防护热板法、圆管法、热线法以及闪光法。各种方法都有不同的特点，应综合考虑被测试样的性质、形状、导热系数的范围、测量温度等因素，选用合适的导热系数测试方法。

参考文献
[1] GB/T 10295-2008,绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流
法.
[2] GB/T 10294-2008,绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护
热板法.
[3] GB/T 10296-2008,绝热层稳态传热性质的测定圆管法.
[4] GB/T 10297-1998,非金属固体材料导热系数的测定方法.
[5] GB/T 22588-2008,闪光法测量热扩散系数或导热系数.
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㈢ 导热系数测试方法简介

导热系数是表征导热材料性能，优劣重要的参数之一， 也是使用者最为关注的技术指标。

导热系数的定义是： 在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K，℃），在1秒内（1s），通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/(m·K)，此处为K可用℃代替）。

材料的导热系数搏洞扰不仅与材料的物质种类有关，而且与它的微观结构、填料含量等有密切联系。在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。 导热系数的测定方法发展到现在已经有了许多种，它们有不同的适用领域、测量范围、精度、准确度和试样尺寸要求等，不同方法对同一样品的测量结果可能会有较大的差别，因此选择合适的测试方法是首要的。

       目前导热系数的测定方法分为稳态法和非稳态法两大类，具有各自不同的测试原理。在导热硅胶行业中，常见的测试方法是稳态热板法（参照标准：ASTM D5470），瞬态平面热源法（参照标准：ISO 22007-2）。

下文将为大家介绍上述两种测试方法以及使用的测试仪器。

一、ASTM D5470

薄型导热固态电绝缘材料热传输特性的标准测试方法

该方法采用的是通常所说的稳态热流法，其测试原理是将一定厚度的样品置于上下两个平板间，对样品施加一定的热流量和压力，使用热流传感器测量通过样品的热流、测试样品的厚度、热板/ 冷板间的温度梯度，然后得出不同厚度下对应的热阻数据作直线拟合得出样品的导热系数。

这种方法的优点是：

①可以 测试产品的热阻与导热系数；

②特别适合模拟产品在实际工况下的使用状态。

缺点是：

①对产品的厚度有一定要求；

②接触热阻会影响测试结果；

③为了到达稳态，测试所需时间较长。

稳态热板法原理图

傅里叶定律：

热阻：

导热系数：

常用的测试设备如下：

DRL-II型导热系数测试仪（图）

DRL-III型导热系数测试仪（图）

LW-9389型界面材料热阻及热传导系数仪（图）

二、ISO 22007-2-2008 塑料

 热传导率和热扩散率的测定

        瞬态平面热源法(TPS)是目前研究材料导热性能的方法中最方便、精确的一种，由热线法改进而来。这种方法采用一个瞬间热平面探头（Hot Disk探头），我们也将其称之为Hot Disk法。Hot Disk探头由热阻性材料镍制颤源成，包覆有绝缘材料（聚酰亚胺，云母等），探头带自加热功能。

这种方法的原理是，将带有自加热功能的温度探头放置于样品中，测试时在探头上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升。镍的热电阻系数— 温度和电阻的关系呈线性关系，即可通过了解基旦电阻的变化可以知道热量的损失，从而反映样品的导热性能。然后测量探头本身和与探头相隔一定距离的圆球面上的温度随时间上升的关系，通过数学模型拟合同时得到样品的导热系数和热扩散系数。

图 包覆聚酰亚胺的Hot Disk 探头

Hot Disk 固体样品放置示意图

这种方法的优点是：

①能够同时测量热导率、热扩散率以及单位体积的热容；

②测试范围广(0.005～500W/m· K)、精度高(±3%)、重复性好 (±1%)、测量时间短(单次测量 3~5min)和操作简便；

③可测试的样品种类多(液体、粉末、凝胶、高分子、复合材料等 )；

④不受接触热阻的影响，其测试结果更贴近于材料本身的导热系数。

缺点是此方法适用于测均质材料的导热系数，不适合用于测各向异性材料(如石墨片 )。

典型的测试设备是瑞典的Hot Disk导热测试仪

图 Hot Disk导热测试仪

导热系数是材料本身的参数，与形状大小无关。目前已有大量的导热测试方法，但没有任何一种方法能适用于所有产品、所有场合。产品品特性、测试标准、测试环境等都会对导热系数的结果产生影响。材料的导热系数不能用不同测试方法得到的数据进行对比。要得到准确和有参考意义的结果，必须选择合适的测试方法进行测量。

最后附上我们整理的一些测试导热系数的标准方法：

一、稳态法

GB/T 3651-2008 金属高温导热系数测量方法

GB/T8722-2008 石墨材料中温导热系数测定方法

GB/T 10294-2008 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定——防护热板法

GB/T10295-2008 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定——热流计法

GB/T 10296-2008 绝热层稳态传热性质的测定——圆管法

GB/T 17357-2008 设备及管道绝热层表面热损失现场测定——热流计法

YBT4130-2005 耐火材料导热系数试验方法 水流量平板法

ASTM C177-10 用护热板法仪器测定稳态热流和传热性能的标准测试方法

ASTMC182-1998 隔热耐火砖导热系数标准测试方法

ASTM C201-1998 耐火材料导热系数标准测试方法

ASTM C202-1998 耐火砖导热系数标准测试方法

ASTM  C335-05a 卧式隔热管稳态传热特性标准测试方法

ASTM C518-04 用热流计装置的稳态热传输性能标准测试方法

ASTM C680-08 采用计算机程序估算板状、柱状和球状系统表面温度和热量增减的标准操作规范

ASTM  C687-07 酥松填充式建筑隔热材料热阻测量的标准操作规范

ASTM  C1043-06 防护热板法设计中采用环形线加热源标准操作规范

ASTM  C1044-07 在单试样模式中采用保护热板装置或薄加热器装置的标准操作规范

ASTM  C1113-2004 热线法（铂电阻温度计技术）耐火材料导热系数标准测试方法

ASTM C1114-06 用薄加热器装置的稳态热传输性能标准测试方法

ASTM D5470-2012 薄型导热固态电绝缘材料热传输特性的标准测试方法

ASTM D6744-01 采用保护热流计技术测定阳极碳热导率标准试验方法

ASTM  E1225-04 采用保护比较式纵向热流技术测定固体热导率标准试验方法

ASTM  E1530-06 采用防护热流计技术评价材料热阻的标准测试方法

ASTM  F433-02 垫片类材料热导率评价标准规程

二、瞬态法

GJB 1201.1-1991 固体材料高温热扩散率试验方法 激光脉冲法

GB/T 5990-2006 耐火材料 导热系数试验方法 热线法

GBT  10297-1998非金属固体材料导热系数测定方法

GBT 22588-2008 闪光法测量热扩散系数或导热系数

ASTM C714-05 热脉冲法测量碳和石墨热扩散率标准试验方法

ASTM C5334-00 热探针法确定土壤和软岩石导热系数的的标准测试方法

ASTM  D5930-01 采用瞬态线热源技术确定塑料导热系数的标准测试方法

ISO  13826-2013 金属及其他无机涂层-通过激光脉冲法测定热喷涂陶瓷涂层的热扩散率

ISO-DIS  18555 2014 金属和其它无机涂层——热障涂层热导率的测定

ISO-FDIS 18755-2004 精制陶瓷（先进陶瓷、先进技术陶瓷）——采用激光闪光法测定陶瓷片热扩散率

ISO 22007-2-2008 塑料.热传导率和热扩散率的测定.第2部分 瞬态平面热源法

三、准稳态法

ASTM E2584-07 用热容量热计（插片式）测量材料热导率标准实施规程

原文出处： 中国热管理网  导热系数测试方法简介

㈣ 导热硅胶片导热系数常用的测定方法有哪几种

楼主您好，GLPOLY导热材料您身边的热管理解决方案专家为您解答：
导热硅胶片导热系数是导热硅胶片最重要的一个性能参数，也是客户最关心，最想了解的一个性能参数，但其实大多数客户对导热硅胶片（www.glpoly.com.cn）导热系数的测定方法有哪些并不是很了解。目前在导热硅胶片行业中导热系数及其导热性能测试方法中主要有三种主流方法：热板法(Hot Plate)/热流计法(Heat Flow Meter)、激光散光法(Laser Flash)和Hot Disk(TPS技术)。以下就这三种测试方法给大家进行一个简单介绍及比较。
1. 热板法(Hot Plate)/热流计法(Heat Flow Meter)稳态法，原理是Fourier传热方程式计算法：
dQ=-λdA·dt/dn
其中：式中 Q-----导热速率，w;
A------导热面积，m2;
dt/dn-----温度梯度，K/m;
λ------导热系数，w/m·K;
测试过程中对样品施加一定的热流量，测试样品的厚度和在热板/冷板间的温度差，得到样品的导热系数，测试过程中需要样品为常规形状的大块体以获得足够的温度差。误差来源：热板/冷板中的样品没有很好的进行保护，存在一定的热损失。测温元件是热电偶，将热板/冷板间隙的界面影响都计算在内。第一个误差来源令这个方法不适合导热系数>2W/mK的样品，热损失太大，而且温度越高，误差越大。第二个误差来源实际是将接触热阻也计算在内，温度差偏大，因此实际测得的导热系数偏低。另外，这一方法只能提供导热系数的数据，精度为5%。
2. 激光散光法(Laser Flash)
瞬态法，其原理是一束激光打在样品上表面，用红外检测器测下表面的温度变化，实际测得的数据是样品的热扩散率，通过与标准样品的比较，同时得到样品的密度和比热，通过Cp=λ/H, H----热扩散系数，m2/s;λ----导热系数，w/m·K;Cp----体积比热，J/m3·K，并通过数据计算得到样品的导热系数。此测试方式优点是快速，非接触法，适合高温，高导热样品，但不适合多层结构、涂层、泡沫、液体、各向异性材料等。原因是激光法测试的是热扩散率，数学模式建立在各向同性材料的基础上，如为多层结构、涂层，或样品存在吸收/辐射，则测得样品的比热出现较大偏差。另外，还需要用其他方法测得密度，才能折算为导热系数，增加了误差的来源。通常，激光脉冲法精度为热扩散率3%，比热7%，导热系数10%。
3、Hot Disk(TPS技术)
样品尺寸：固体：直径或边长大于2mm，厚度大于0.5mm(2个一模一样)，样品可以为不规则形状，只要上下表面平整即可；导热系数范围: 0.005―500 W/mK 。温度范围: 室温 ― 700°C，测试原理：瞬变平面热源技术（TPS），测试模块：基本、薄膜、平板、各向异性、单面、比热。探头尺寸：2-29.40 mm 。
以上三点就是目前导热材料行业最常用到的导热硅胶片导热系数的测定方法，相信通过以上介绍，大家已经对测定导热硅胶片导热系数的方法有了一个初步的了解了。虽然导热硅胶片导热系数很重要，但客户在选购时并不是说导热硅胶片导热系数越高越好，而是要根据自身产品的散热需求来选择合适的导热硅胶片，因为通常情况下，导热硅胶片导热系数越高价格也会越贵。