导热系数的测定方法

前言

      导热系数：物体传导热量的能力，又称为热导率，是材料的热物性参数之一，也是固体最重要的热物性参数。定义为在稳定传热条件下，1米厚的材料，两侧表面的温差为1摄氏度（K，℃），在1秒钟内（1s），通过1平方米传递的热量，单位为瓦/米·度 （W/(m·K)，此处为K可用℃代替）。导热系数的测定方法现已发展了多种，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考虑的。 

目前导热系数的测定方法分为稳态法和瞬态法（也叫非稳态法）两大类。

稳态法

      稳态法是经典的保温材料的导热系数测定方法，至今仍受到广泛应用。其原理是利用稳定传热过程中，传热速率等于散热速率的平衡状态，根据傅里叶一维稳态热传导模型，由通过试样的热流密度、两侧温差和厚度，计算得到导热系数。原理简单清晰，精确度高，但测量时间较长，对环境条件要求较高。稳态法适合在中等温度下测量的导热系数材料。适用于岩土、塑料、橡胶、玻璃、绝热保温材料等低导热系数材料。 

      目前常用的稳态法有：热流法、保护热流法和保护热板法。这些都是稳态法，其实原理相似，只是针对不同的保温材料，又制定了一些标准，其实测试结果是很接近的。（下面就一起看看稳态法中的经典——热流法）

热流法

      热流法是一种比较法，是用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，得到的是导热系数的绝对值。测量时，将厚度均匀的样品插入于两个平板间，设置一定的温度梯度。使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板与样品之间和样品接触。测量样品的厚度、上下板间的温度梯度及通过样品的热流便可计算试样的导热系数。

 （热流法测量原理）

（1）保护热流法

     对于较大的、需要较高量程的样品，可以使用保护热流法导热仪。其测试原理几乎和普通的热流法导热仪相同。不同之处是测量单元被保护加热器所包围，因此测试温度范围和导热系数范围更宽。

（2）保护热板法

      热板法或保护热板法导热仪的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似。热源位于同一材料的两块样品中间。使用两块样品是为了获得向上与向下方向对称的热流，并使加热器的能量被测试样品完全吸收。测量过程中，精确设定输入到热板上的能量。通过调整输入到辅助加热器上的能量，对热源与辅助板之间的测量温度和温度梯度进行调整。热板周围的保护加热器与样品的放置方式确保从热板到辅助加热器的热流是线性的、一维的。辅助加热器后是散热器，散热器和辅助加热器接触良好，确保热量的移除与改善控制。测量加到热板上的能量、温度梯度及两片样品的厚度，应用Fourier方程便能够算出材料的导热系数。

     相对热板法，保护热板法的优点是温度范围更广（-180℃至650℃）与量程更广（最高2W/m·K）。此外，保护热板法使用的是绝对法——无需对测量单元进行标定。

瞬态法（非稳态法）

     瞬态法是最近几十年内开发的导热系数测量方法，用于研究中、高导热系数材料，或在高温度条件下进行测量。瞬态法的特点是测量速度快、测量范围宽(最高能达到2000℃)、样品制备简单。

     工作原理：提供样品——固定功率的热源，记录样品本身温度随时间的变化情形，由时间与温度变化的关系求得样品的热传导系数、热扩散系数和热容。

      瞬态法适合于测量高导热系数材料或在高温条件下的测量。适用于金属、石墨烯、合金、陶瓷、粉末、纤维等同质均匀的材料。

     目前常用的瞬态法有：热线法、激光闪射法和瞬变平面热源法。

（1）热线法

（热线法测量原理）

      热线法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。测量热线本身或平行于热线的一定距离上的温度随时间上升的关系。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。这种方法测量时间比较短，所测量材料的导热系数范围一般是0.1W/mK 到几十。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%。

（2）激光闪射法

      又称激光扩散法或闪光扩散法。应用激光闪射法时，样品在炉体中被加热到所需的测试温度。随后，由激光器产生的一束短促激光脉冲对样品的前表面进行加热。热量在样品中扩散，使样品背部的温度上升。用红外探测器测量温度随时间上升的关系，然后结合样品本身的比热和密度等参数来计算材料的导热性能。其特点是所需样品尺寸小，样品形状和样品的材质不受限制，同时可以测量热扩散速率等参数，但重复性和准确性比较差，人为因素影响明显。

     激光闪射法的特点：测量范围很宽(0.1~2000W/mK)，测量温度广(-110~2000℃)，但测得的是材料的热扩散系数，还需要知道试样的比热和密度，才能通过计算得到导热系数，而测定热态下的导热系数还需要膨胀系数的数值，只适用于各向同性、均质、不透光的材料。（此外，激光闪射法还能够用比较法直接测试样品的比热，但是推荐使用差示扫描量热仪，该方法的比热测量精确度更高。）

（3）瞬变平面热源法

      瞬变平面热源法是在试件上贴上探头，通过多元函数对试样表面温度的响应进行拟合后便可计算出材料的导热系数，适用广泛，快捷，但精确度不一定高。

     瞬态平面热源法的原理是基于无限大介质中阶跃加热的圆盘形热源产生的瞬态温度响应。利用热阻性材料做成一个平面的探头，同时作为热源和温度传感器。在测试过程中，探头被放置于中间进行测试。电流通过时，产生一定的温度上升，产生的热量同时向探头两侧的样品进行扩散，热扩散的速度依赖于材料的热传导特性。通过记录温度与探头的响应间，由数学模型可以直接得到导热系数和热扩散率。其特点是测试方法简单，测试速度快。TPS测试符合相关标准。

结论

     随着电子技术的高速发展，导热高分子材料的市场越来越大。导热系数，对于材料的应用十分重要，因此必须精确测量这些性质。由于导热性能有许多种测量方法，事先必须考虑到材料导热系数的大致范围以及使用温度的大致范围，以选用正确的测量方法。