导热系数测量方法的选择

1 前言
在化工、建筑行业中，很多科研生产和应用过程都涉及到热量传递，导热系数(或热导率)常被用来衡量材料的导热性能和保温性能，是材料的一个重要参数。导热系数(λ) 是指在稳定传热条件下，1m 厚的材料，两侧表面的温差为1K(或℃)，在1h内，通过1m2 面积传递的热量，单位为W/(m.K)，此处的K可用℃代替。λ值越小，材料的绝热性能越好。由于导热系数的大小取决于被测物的结构组成、平均温度、含水率、传热时间、两侧温差等诸多因素，一般要通过实验确定。料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。据此人们开发和建立了一些具体的数学模型，由此衍生出各种各样的测试方法和装置。
 
2 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。 

2.1 热流计法
热流计法是一种比较法，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，将厚度一定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导热系数。

热流法是目前国际上比较流行的测量方法。除固体材料，还可用于多孔纤维、聚合物基复合材料、高分子材料等的导热系数的测定。优点在于精度高。日本EKO公司的HC-074系列导热系数测定仪其精度可优于±1%，重复性0.2%，再现性0.5%，适用于材料的研发、质量控制等精密测量。

缺点在于测量材料的导热系数范围比较窄，温度范围有限，只能测量低导热系数材料和绝热保温材料。 

2.2 护热平板法
护热平板法其工作原理和热流法相似，是目前公认的准确度最高的方法，可用于基准样品的标定和其他仪器的校准，实验装置多采用双试件结构。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。 

相比热流法，护热板法更精确，是目前测量导热系数精度最高的方法。优点是温度范围宽（-180~700℃）与量程广（最高可达2W/m•K）。此外，保护热板法使用得是绝对法——无需对测量单元进行标定。缺点就是，测量时间长，仪器价格昂高，并且不能研究湿材料的热传导性能，不能用于薄膜、涂层等厚度小的样品。

3 动态法
动态法是最近几十年内开发的新方法，用于研究高导热系数材料，或在高温度条件下进行测量。工作原理是：提供样品一固定功率的热源，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。
 
3.1 热线法
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％。 

3.2 激光闪射法
激光闪射法的测量范围很宽，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λ，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；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。 

4 小结
导热系数的测量方法主要有稳态和动态两种方法。稳态法适合在中等温度下测量的导热系数材料，其中护热平板法精确度最高，但是测量速度慢、过程较复杂、价格昂贵，热流计法则快速、精确，但是测量范围较窄。对于保温材料，日本EKO公司的导热系数测定仪无疑是最适合的测量仪器。
动态法中的热线法和激光法，虽然应用广、测量速度快，但是误差高（5%），所以适合于测量高导热系数材料或在高温条件下的测量。