導熱系數(shù)的概述

鑠思百檢測可提供導熱系數(shù)測試服務。導熱系數(shù)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)] 。

導熱儀，又稱為熱導儀、導熱系數(shù)測定儀，是一種測量樣品（固體、液體或粉末）的導熱系數(shù)隨溫度的函數(shù)關系的儀器。

導熱系數(shù)的工作原理

導熱率，又稱為熱導率、導熱系數(shù)，定義為單位溫度梯度在單位時間內經(jīng)單位導熱面所傳遞的熱量。表示物體傳導熱量的能力。其導出式來源于傅立葉定律：

Q=KA△T/d

R=△T/Q

式中：Q：熱量W

K：熱導率W/m.k

A：接觸面積

d：熱量傳遞距離

△T：溫度差

R：熱阻值

根據(jù)導熱機理不同，導熱系數(shù)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(jīng)典的保溫材料的導熱系數(shù)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(jù)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(shù)。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(shù)。

（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(shù)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完全吸收。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(shù)。

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(shù)測量方法，用于研究中、高導熱系數(shù)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（最高能達到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(shù)低于2W/m·K的樣品，熱阻法與平行線法適用于導熱系數(shù)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(shù)。

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

導熱系數(shù)的應用

導熱系數(shù)是一種重要的物理量。導熱儀主要用于金屬與合金、鉆石、陶瓷、石墨與碳纖維、填充塑料、高分子材料等的測試。

導熱系數(shù)的分類

1、穩(wěn)態(tài)法導熱儀

（1）熱流法導熱儀

熱流計法是一種比較法，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(shù)的絕對值。測量時，將厚度一定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導熱系數(shù)。

熱流法是目前國際上比較流行的測量方法。除固體材料，還可用于多孔纖維、聚合物基復合材料、高分子材料等的導熱系數(shù)的測定。該儀器的優(yōu)點是易于操作，精度高，測量速度快（僅為同類產(chǎn)品的四分之一）。 缺點在于測量材料的導熱系數(shù)范圍比較窄（能測量導熱系數(shù)在0.005到0.5W/m·K之間的材料），溫度范圍有限，只能測量低導熱系數(shù)材料和絕熱保溫材料。

（2）保護熱流法導熱儀

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(shù)范圍更寬。

（3）保護熱板法導熱儀

護熱平板法其工作原理和熱流法相似，是目前公認的準確度最高的方法，可用于基準樣品的標定和其他儀器的校準，實驗裝置多采用雙試件結構。

相比熱流法，保護熱板法的優(yōu)點是溫度范圍寬（-180到700℃）與量程廣（最高可達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。缺點就是，測量時間長，儀器價格昂高，并且不能研究濕材料的熱傳導性能，不能用于薄膜、涂層等厚度小的樣品。

2、動態(tài)（瞬時）測量法 導熱儀

動態(tài)測量法是最近幾十年內開發(fā)的導熱系數(shù)測量方法，用于研究中、高導熱系數(shù)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（最高能達到2000℃）、樣品制備簡單。

（1）熱線法：

熱線法是應用比較多的方法，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(shù)低于2W/m·K的樣品，熱阻法與平行線法適用于導熱系數(shù)更高的材料，其測量上線分別為15 W/m·K與20W/m·K。

這種方法測量時間比較短，所測量材料的導熱系數(shù)范圍一般是 0.1W/mK 到幾十。優(yōu)點是產(chǎn)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）激光閃射法導熱儀

激光閃射法的測量范圍很寬（0.1~2000W/m·K），但測得的是材料的熱擴散系數(shù)，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(shù)λ，而測定熱態(tài)下的導熱系數(shù)還需要膨脹系數(shù)的數(shù)值，只適用于各向同性、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(shù)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(shù)，適用廣泛，快捷，但精確度不一定高。

注意事項

導熱儀校正：穩(wěn)態(tài)法測量導熱系數(shù)的困難主要在于相關參量的準確獲得。由于導熱系數(shù)是標志一個過程（傳熱）的性質的熱物性參數(shù)．因此不可能通過直接靜態(tài)對比而得出。所以，可以將同樣尺寸規(guī)格的標準樣品（導熱系數(shù)已知）放在導熱系數(shù)儀中，在某一外部條件下，經(jīng)歷一個傳熱過程，另外再通過測量冷熱板的表面溫度，就可根據(jù)測量結果的比較而得到被測導熱系數(shù)儀的測量準確度。