導(dǎo)熱系數(shù)常見測量方法

1、導(dǎo)熱系數(shù)測量前言

導(dǎo)熱系數(shù)：物體傳導(dǎo)熱量的能力，又稱為熱導(dǎo)率。定義為單位溫度梯度(在1m長度內(nèi)溫度降低1K)在單位時間內(nèi)經(jīng)單位導(dǎo)熱面所傳遞的熱量。單位為瓦每米開爾文[W/(m·K)]，此處的K可用℃代替。導(dǎo)熱系數(shù)的測定方法現(xiàn)已發(fā)展了多種，它們有不同的適用領(lǐng)域、測量范圍、精度、準(zhǔn)確度和試樣尺寸要求等，不同方法對同一樣品的測量結(jié)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(dǎo)熱系數(shù)的測定方法分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩大類，具有各自不同的測試原理。

2、導(dǎo)熱系數(shù)測量穩(wěn)態(tài)法

穩(wěn)態(tài)法是經(jīng)典的保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)測定方法，至今仍受到廣泛應(yīng)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(dǎo)模型，由通過試樣的熱流密度、兩側(cè)溫差和厚度，計算得到導(dǎo)熱系數(shù)。

穩(wěn)態(tài)法適合在中等溫度下測量的導(dǎo)熱系數(shù)材料。適用于巖土、塑料、橡膠、玻璃、絕熱保溫材料等低導(dǎo)熱系數(shù)材料。

2.1 導(dǎo)熱系數(shù)測量熱流計法

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(dǎo)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(shè)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試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。熱流法測試材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍比較窄(0.015-5W/m·k)，溫度范圍為熱板90℃，冷板0℃～70℃。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)測量護(hù)熱平板法

隔熱板法的工作原理與熱流法相似。熱源位于相同材料的兩個樣品之間。這兩個樣品用于獲得向上和向下方向的對稱熱流，并使加熱器的能量完全被試樣吸收。在測量過程中，準(zhǔn)確設(shè)置熱板的能量輸入。通過調(diào)整輔助加熱器的能量輸入，調(diào)整熱源和輔助板之間的測量溫度和溫度梯度。熱板周圍的保護(hù)加熱器和樣品的放置方式應(yīng)確保從熱板到輔助加熱器的熱流是線性和一維的。輔助加熱器之后是散熱器，散熱器與輔助加熱器接觸良好，以確保散熱并改善控制。材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以通過測量添加到熱板上的能量、溫度梯度和兩個樣品的厚度來計算。熱板法直接測量隔熱材料和建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻。導(dǎo)熱系數(shù)范圍為0.0015至0.8 W/m·K，應(yīng)用領(lǐng)域包括纖維板、礦棉、泡沫塑料、真空保溫板、復(fù)合板、木材等材料。

3、導(dǎo)熱系數(shù)測量動態(tài)法

動態(tài)法是最近幾十年內(nèi)開發(fā)的新方法，用于研究高導(dǎo)熱系數(shù)材料，或在高溫度條件下進(jìn)行測量。工作原理是：提供樣品一固定功率的熱源，記錄樣品本身溫度隨時間的變化情形，由時間與溫度變化的關(guān)系求得樣品的熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和熱容。

適合于測量高導(dǎo)熱系數(shù)材料或在高溫條件下的測量。適用于金屬、石墨烯、合金、陶瓷、粉末、纖維等同質(zhì)均勻的材料。

3.1 導(dǎo)熱系數(shù)測量熱線法

熱線法是應(yīng)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，在熱線上施加一個恒定的加熱功率，使其溫度上升。測量熱線本身或平行于熱線的一定距離上的溫度隨時間上升的關(guān)系。由于被測材料的導(dǎo)熱性能決定這一關(guān)系，由此可得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)。這種方法測量時間比較短，所測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍一般是 0.1W/mK 到幾十。

3.2 導(dǎo)熱系數(shù)測量激光閃射法

激光閃射法的測量范圍很寬，激光閃光法測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的原理是根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)K與熱擴(kuò)散系數(shù)a、比熱容cp和體積密度ρ三者之間的關(guān)系:

首先測出試樣的體積密度ρ, 然后分別或者同時測量出材料的熱擴(kuò)散系數(shù)a和比熱容cp , 則可計算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

導(dǎo)熱系數(shù)范圍：0.1~2000W/m·K

測試溫度：RT to 1000°C

測試類別：銅箔、鐵片、鋁片、石墨烯、合金、塑料、陶瓷、橡膠、多層復(fù)合材料、粉末、纖維(需壓片)等各向同性、均質(zhì)、不透光的材料。

導(dǎo)熱系數(shù)測量參考標(biāo)準(zhǔn)

ASTM C518-10: Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus.

ASTM C177 – 13:Standard Test Method for Steady-State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus.

ASTM E1461-2013:Test method for thermal diffusivity by the flash method.

CPCA 4105-2010: Metal base copper clad laminate for printed circuits.

ASTM D5470-2012: Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials

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