導熱系數的兩大類測量方法介紹

導熱系數是指單位時間內在單位溫度梯度下沿熱流方向通過材料單位面積傳遞的熱量。單位為瓦每米開爾文[W/(m·K)] 。根據導熱機理不同，導熱系數測量方法分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法(也叫做非穩(wěn)態(tài)法)兩大類。

 

1、穩(wěn)態(tài)法

 

穩(wěn)態(tài)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(wěn)定傳熱過程中，傳熱速率等于散熱速率的平衡狀態(tài)，根據傅里葉一維穩(wěn)態(tài)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(huán)境條件要求較高。

 

(1) 熱流法

將厚度一定的方形樣品(例如長寬各30cm，厚10cm)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。測量樣品厚度、溫度梯度與通過樣品的熱流便可計算導熱系數。

 

(2) 保護熱流法導熱儀

其測量原理幾乎與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，因此測量溫度范圍和導熱系數范圍更寬。

 

(3) 保護熱板法導熱儀

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。

2、動態(tài)(瞬時)測量法

 

動態(tài)測量法是最近幾十年內開發(fā)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。動態(tài)法的特點是精確性高、測量范圍寬(高能達到2000℃)、樣品制備簡單。

 

(1) 熱線法：

熱線法是在樣品(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。測量熱線本身或與熱線相隔一定距離的平板的溫度隨時間上升的關系。

測量熱線的溫升有多種方法。其中交叉線法是用焊接在熱線上的熱電偶直接測量熱線的溫升。平行線法是測量與熱線隔著一定距離的一定位置上的溫升。熱阻法是利用熱線(多為鉑絲)電阻與溫度之間的關系測量熱線本身的溫升。一般來說，交叉線法適用于導熱系數低于2W/m·K的樣品，熱阻法與平行線法適用于導熱系數更高的材料，其測量上線分別為15 W/m·K與20W/m·K。

 

(2) 激光閃射法：

激光閃射法直接測量材料的熱擴散性能。在已知樣品比熱與密度的情況下，便可以得到樣品的導熱系數。

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。 根據非穩(wěn)態(tài)導熱過程的數學模型，即可確定試樣的熱擴散率。