热导率仪

1. 问题的提出在研制完成低温高真空环境材料热物理性能测试系统后，开始进行各种材料热导率的测试。低温高真空材料热物理性能测试系统如图1所示，低温高真空腔体如图2所示。在测试过程中发现在一定真空度下热导率测试非常不准确，甚至测试结果非常怪异，真空度会使得试样接触热阻发生巨变而严重影响热导率测试。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701191700_667317_3384_3.jpg图1 低温高真空环境材料热物理性能测试系统http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016020120342460_01_3384_3.jpg图2 低温高真空腔体为了验证试样接触热阻的影响，针对不同表面状态和硬度的材料进行了验证试验，但选择验证试样的原则是真空度不能造成试样本身的热导率发生变化。1.1. 不同真空度下接触热阻对不锈钢试样热导率测试的影响首先采用表面光滑的刚性金属材料进行验证。如图3和图4所示，将一对已知热导率的不锈钢参考材料放入真空腔内，分别进行常温和不同真空度下的热导率测试，测试结果如图5所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016020120352005_01_3384_3.jpg图3 已知热导率的被测不锈钢试样 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016020120354782_01_3384_3.jpg图4 不锈钢试样测试状态 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016020120474812_01_3384_3.png图5 不锈钢试样常温不同真空度下的热导率测试结果在真空度变化前期（真空度大于5000Pa），热导率测试结果还是十分准确和稳定。随着真空度的提高，小于2000Pa时的测试结果明显开始降低，在小于1000Pa后测试结果出从图5所示的测试结果可以看出，现波动甚至无法获得有效的热导率测试数据。这就意味着随着真空度升高，试样与探测器之间的接触热阻逐渐增大，最终巨大的接触热阻和接触热阻分布的不均匀完全破坏了瞬态平面热源法传热测试模型，导致根本无法进行测量。1.2. 不同真空度下接触热阻对低导热硬质泡沫塑料试样热导率测试的影响上述验证试样所选的不锈钢热导率在14W/mK左右，为进一步验证试样接触热阻的影响，我们选择了硬质聚氨酯泡沫塑料进行考核。选择硬质聚氨酯泡沫塑料一是因为这种材料的热导率很低，热导率在0.04W/mK左右；二是因为这种材料是闭孔材料，闭孔率在90%以上，材料热导率随真空度的变化不大。如图6和图7所示，将一对硬质聚氨酯泡沫塑料试样放入真空腔内，分别进行常温和不同真空度下的热导率测试，测试结果如图8所示。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016020120443559_01_3384_3.jpg图6 被测硬质聚氨酯泡沫塑料试样http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016020120452836_01_3384_3.jpg 图7 硬质聚氨酯泡沫塑料试样测试状态http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016020120423345_01_3384_3.png图8 硬质聚氨酯泡沫塑料常温不同真空度下的热导率测试结果从图8所示测试结果可以看出，随着真空度升高，热导率数值逐渐降低，最终在真空度升高到5Pa时，热导率从常压下的0.0447W/mK降到了0.0337W/mK，减小了近四分之一。随着真空度的升高，引起聚氨酯泡沫塑料热导率降低主要有两个原因：（1）试样内的部分开孔随着真空度升高而降低热导率，但由于开孔率较低，这种影响不是主要因素。（2）尽管聚氨酯泡沫塑料属于硬质材料并便于加工，但试样的表面粗糙度还是远大于表面光滑的不锈钢试样，所以接触热阻是热导率降低最主要因素。1.3. 测试结果分析由以上两种材料的测试，可以得出以下初步的结论：（1）对于瞬态平面热源法这种试样与探测器夹心测试结构，测试过程中随着真空度的升高，探测器与试样之间的接触热阻会明显增大，这种热阻的增大会给热导率测量带来影响。（2）试样与探测器之间的接触热阻并非均匀分布，随着真空度升高，这种非均匀分布的接触热阻会完全破坏传热测试模型，造成测试结果完全不正确，甚至根本无法进行测量。（3）由于试样表面粗糙度不同，真空度对接触热阻的增加幅值也不相同。如果假设接触热阻等效为一个均匀分布热阻层，接触热阻给热导率测试所带来的影响假设为一个等效热导率，那么在一般情况下，这个热阻层的等效热导率大小为0.01W/mK量级。（4）这种由于真空度升高引发的试样接触热阻增大的现象，是所有真空环境下固体界面热传导中存在的普遍现象。因此，如果不采取一定措施，真空下的试样接触热阻不仅会严重影响瞬态平面热源法的热导率测量，也好严重影响其它所有热导率测试方法的测量准确性。2. 解决方案为了降低和消除真空环境下试样接触热阻对热导率测量结果的影响，最有效的方法就是采用薄的柔性填充物来填充试样与探测器之间的空隙，把真空度的影响降低到最小。为此，我们选用了填充物为导热硅脂、导热硅胶片和镜头纸分别进行试验，以其找到有效的材料和方式。3. 试验验证3.1. 不锈钢参考材料填充导热硅脂的试验验证还是采用表面光滑的刚性金属材料进行验证。如图9和图10所示，将一对已知热导率的不锈钢参考材料测试表面分别涂覆了一层导热硅脂。常温常压下导热硅脂的热导率为3W/mK，这也是目前热导率比较高的导热硅脂，从理论上来说，导热硅脂的热导率越大约好。将涂覆了导热硅脂的试样与探测器夹紧并放入真空腔内，分别进行常温和不同真空度下的热导率测试。添加导热硅脂前后的测试结果对比如图11所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/image

摘要：瞬态平面热源法是一种准确、快速的材料热物理性能测试方法，其热导率测试范围可以覆盖从绝热材料到高导热材料。为了验证和考核瞬态平面热源法的测量准确性，对美国ANTER公司提供的各种热导率数值的参考材料进行测试。本文罗列出所有这些参考材料以及相应的热导率数据以供在具体测试中的应用。1. 前言瞬态平面热源法作为一种绝对测量方法，在理论上可以达到很高的测量精度。在试样尺寸满足测试方法规定的边界条件基础上，热导率的测量范围可以没有限制。因此，对于均质材料，采用HOTDISK瞬态平面热源法不失为一种操作简便和测量精度高的有效方法，在温度不高的范围内（200℃以下），这种方法可以作为一种标准方法来使用，并与其它热导率测试方法一起形成有效的补充和相互比对，甚至可以用于校准其它测试方法。瞬态平面热源法是一种绝对测试方法，自身并不需要进行校准。但为了验证和考核瞬态平面热源法的测量准确性和测试范围，我们为瞬态平面热源法配置了各个不同热导率数值范围的参考材料，这些参考材料的直径都在50mm以上以便各种瞬态平面热源法热导率测试探头使用。本文罗列出所有这些参考材料以及相应的热导率数据以供在具体测试中的应用。2. 参考材料清单按照热导率数据从小达到的顺序，以下是各种参考材料的名称和实物照片。（1）美国NIST标准参考材料：SRM 1453（发泡聚苯乙烯板），尺寸100×100×10mm，热导率范围为0.03W/mK以下。标准参考材料实物如图1所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311858_584006_3384_3.jpg图1 美国NIST标准参考材料SRM 1453（2）美国ANTER公司参考材料：Vespel（纯聚酰亚胺），尺寸Φ50.8×25.4mm，热导率范围为0.3W/mK以下。参考材料实物如图2所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311904_584007_3384_3.jpg图2 美国ANTER公司参考材料 纯聚酰亚胺Vespel（3）美国ANTER公司参考材料：Pyroceram 9606（高温陶瓷），尺寸Φ50.8×25.4mm，热导率范围为4W/mK以下。参考材料实物如图3所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311905_584008_3384_3.jpg图3 美国ANTER公司参考材料 Pyroceram 9606（高温陶瓷）（4）美国ANTER公司参考材料：304不锈钢，尺寸Φ50.8×25.4mm，热导率范围为14W/mK以下。参考材料实物如图4所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311906_584009_3384_3.jpg图4 美国ANTER公司参考材料 304不锈钢（5）瑞典HOTDISK公司参考材料：304不锈钢，尺寸Φ50×30mm，热导率范围为14W/mK以下。参考材料实物如图5所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311906_584011_3384_3.jpg图5 瑞典HOTDISK公司参考材料 304不锈钢（6）美国ANTER公司参考材料：氧化铝，尺寸Φ50.8×25.4mm，热导率范围为35W/mK以下。参考材料实物如图6所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311906_584012_3384_3.jpg图6 美国ANTER公司参考材料 氧化铝（7）美国ANTER公司参考材料：电解纯铁，尺寸Φ50.8×25.4mm，热导率范围为60W/mK以下。参考材料实物如图7所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311907_584013_3384_3.jpg图7 美国ANTER公司参考材料 电解纯铁（8）美国ANTER公司参考材料：纯镍，尺寸Φ50.8×50.8mm，热导率范围为60W/mK以下。参考材料实物如图8所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311907_584014_3384_3.jpg图8 美国ANTER公司参考材料 纯镍（9）美国ANTER公司参考材料：AXM-5Q石墨，尺寸Φ50.8×50.8mm，热导率范围为110W/mK以下。参考材料实物如图9所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/01/201601311908_584015_3384_3.jpg图9 美国ANTER公司参考材料 AXM-5Q石墨通过以上参考材料可以看出，所配置的参考材料覆盖了0.03至110W/mK五个数量级范围的热导率，基本能满足绝大多数材料热导率性能测试的校对和验证。3. 参考材料热导率数据由于所涉及到的八种典型材料的热导率数据包含了大量拟合公式，很不方便用网页的形式表达，详细公式和图表数据可以参看附件中的研究报告。

空间飞行器所用的各种隔热材料常会遇到各种不同的使用环境。针对特定的使用环境，如环境气压范围200～1400Pa、环境温度-80～25℃、环境气体分别是氮气和二氧化碳气体，开展了相应的变温变真空的隔热材料导热系数准确测试的可行性方案研究。1. 测试项目内容测试气凝胶类隔热材料在不同温度和不同真空度条件下的热导率。具体测试条件如下：（1）材料热导率约0.015W/mk，甚至更低；（2）测试环境气压范围200~1400Pa；测试温度范围-80~25℃；（3）测试环境气体成分分别是氮气和二氧化碳气体。2. 测试方案和相关设备2.1. 测试方案（1）针对项目中的低温环境，拟采用现有的低温热辐射和热导率测试系统来实现。（2）针对项目中的气压恒定控制，拟借用相应的高精度真空度控制系统来实现。（3）针对项目中低热导率材料，拟采用现有的瞬态平面热源法热导率测试系统进行测试。2.2. 相关试验装置低温变真空环境下材料热导率测试主要采用了低温热辐射与热导率测试系统。对于低温热导率测试，所涉及的装置有低温真空腔体、真空度控制系统和瞬态平面热源法热导率测试系统。2.2.1. 低温真空腔体低温真空腔体是低温热辐射系数测试系统中的一套非标定制设备，为热辐射系数和热导率测试提供低温和真空环境，整个测试系统如图 2-所示，低温真空腔体如图 2-2所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015122322283582_01_3384_3.jpg图 2-1 低温热辐射与热导率测试系统http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015122322290166_01_3384_3.jpg图 2-2 低温真空腔体低温真空腔体的低温实现采用了大功率低温制冷机，制冷机冷头温度最低可以达到-230℃，真空腔体内部热沉在空载情况下最低温度可以达到-200℃。如果采用更大功率制冷机可以达到到4K液氦的深低温区间。低温真空腔体的高真空实现采用了干泵和低温泵两级真空系统，在空载情况下最高真空度可以达到E-06Pa量级。由此可以实现液氮温区空间环境的地面模拟，为空间环境下的热物理性能测试提供地面模拟试验环境。2.2.2. 真空度控制系统按照项目技术要求，需要在200～1400Pa范围内测试低温隔热材料热导率随真空度的变化规律。因此，采用了上海依阳实业有限公司的高精度压强控制系统（真空度控制系统）装配在低温真空腔体真空管路上，实现低温真空腔体高精度真空度恒定控制。高精度真空度控制系统是一种高度智能化的真空测量仪器和控制设备，采用了人工智能PID控制技术，可与国内外各种型号的真空度传感器和调节阀连接，实现高精度真空度定点和线性控制，为可控气氛环境的实现提供了有效可靠技术手段。 高精度真空度控制系统如图 2-3所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015122322293385_01_3384_3.png图 2-3 高精度真空度控制系统：（a）控制系统；（b）真空度控制模式具体技术指标如下：（1）真空度控制范围：1Pa～133322Pa（根据真空计测量范围确定）（2）模拟量输入：0-10 V；模拟量输出：0-10 V（3）压强传感器的扫描速率： 毫秒（4）控制精度：±1%；计算机接口形式：RS232C或RS485。2.2.3. 热导率测试系统按照项目要求，所测试材料属于超低导热材料，其热导率一般比空气还低。因此热导率测试采用了上海依阳实业有限公司出品的瞬态平面热源法热导率测试系统，整个热导率测试系统如图 2-4所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015122322301309_01_3384_3.jpg图 2-4 瞬态平面热源法热导率测试系统瞬态平面热源法作为一种热导率绝对测量方法，在理论上可以达到很高测量精度。在被测试样尺寸和其它要素满足测试方法规定的边界条件时，热导率的测量范围理论上可以没有限制，特别适合超低热导率材料的测试。因此，对于均质材料，采用瞬态平面热源法不失为一种操作简便和测量精度高的有效方法，在温度不高的范围内（-269℃~200℃），这种方法可以作为一种标准方法来使用，并与其它热导率测试方法一起形成有效的补充和相互比对，甚至可以用于校准其它测试方法。瞬态平面热源法已具有国际标准测试方法，即ISO 22007-2:2008 Plastics-Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity-Part 2: Transient plane heat source (Hot Disk) method。瞬态平面热源法热导率测试系统，是一种多功能测试设备，具有测试块状和分体材料以及薄膜材料的功能，同时还配备了真空腔装置、循环油浴温度控制系统、气体压强控制系统和多通道扫描开关装置，从而实现了在不同温度和气氛压力下对多个试样同时进行测量。测试系统的技术指标如下：（1）温度变化范围：-269℃200℃（依据所用温度环境装置）。（2）试样形式和尺寸：最大试样尺寸为60mm×60mm×20mm~40mm。（3）试样形式：固体、粉体、膏状物。（4）热导率测量范围：0.005~500W/mK。（5）热导率测量精度：优于±5%。（6）热导率测量重复性：优于±7%。3. 方案可行性试验3.1. 400～1400Pa范围内的真空度控制试验按照按照项目要求，真空度控制范围为200～1400Pa。但在实际控制过程中，由于目前只有1000Torr和1Torr两个量程的真空计，这两个真空计在200Pa左右无法覆盖并存在较大误差，因此只进行了4001400Pa范围内的真空度定点控制。为了避免控制点切换过程中的过冲，按照低真空至高真空的顺序进行真空度控制，以200Pa为间隔，实际控制曲线如图 3-1所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015122322303750_01_3384_3.png图 3-1 真空度定点控制结果在400～1400Pa范围内共进行了6个真空度点的定点恒定控制，恒定控制的波动如表 3-1所示，由真空度测试数据可以看出此真空度控制系统的恒定控制精度很高，在4001400Pa范围最大波动率为±0.7%，这非常有利于测试中试样温度和试样热导率的稳定。表 3-1 真空度定点控制精度http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015122322305372_01_3384_3.png3.2. 常温和不同真空度下硬质聚氨酯泡沫塑料热导率测试试验在不同恒定真空度下对硬质聚氨酯泡沫塑料的热导率进行测试，测试试样和测试装置如图 3-2和图 3-3所示，其中试样尺寸为60×60×20mm，整个试样架装置整体放置在低温真空腔内。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/20

求指教： 我用LFA457测试一系列材料的热导率，测量比较低热导率（小于400W/mK）的时候，测试曲线都较为理想，测试结果也较为准确，但测试一高热导率的材料金刚石时，升温曲线就比较奇怪，测试结果偏低，请问一下大家测试时有没有出现过这种形式的升温曲线，不知道是哪里出错了？注：测试金刚石时，由于是半透明，所以双面镀膜加喷碳，采用最小的电压1538V进行测试。下图分别为正常的升温曲线和金刚石的升温曲线http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/06/201406172123_502371_1698940_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/06/201406172123_502372_1698940_3.jpg

今儿尝试用He做载气测试高纯H2时，出现分叉峰，不知何故，请教各位,谢谢!条件如下：DET--TCDCOLUMN:MS-5A TEMP:60 FLOW:25ML/MIN为什么会有分叉峰？H2的热导率和浓度有关系吗？若用He做载气测试H2，是否有一个测量范围？或者说是否成线型关系。。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2007/07/200707241424_59043_1624074_3.jpg[/img]

1. 测试目的 美国国家标准与技术研究院（NIST）出品的标准参考材料泡沫聚苯乙烯板SRM 1453主要用于281～313 K温度范围内各种热导率测试仪器和设备的标定和校准，是目前国内外各种低热导率测试方法（稳态保护热板法和稳态热流计法）热导率测试的计量溯源，同样此标准参考材料也可以用于瞬态平面热源法热导率测试的标定和校准，以验证测试方法和测试设备的测量准确性。为此，采用上海依阳公司出品的瞬态平面热源法热导率测试系统对NIST SRM 1453标准参考材料进行热导率测试，以期实现以下目的：（1）评测和验证上海依阳公司瞬态平面热源法热导率测试系统的测量准确性，重点验证低导热材料（热导率0.03W/mK左右）测量的准确性。（2）NIST标准参考材料SRM 1453是一种典型的泡沫聚苯乙烯板，由于低密度和具有一定气孔率，所以这种材料的热导率会随真空度增高而减小。因此希望通过在不同真空度下测试SRM 1453的热导率，评估上海依阳公司瞬态平面热源法热导率测试系统测量极低热导率（小于0.03W/mK）的能力。（3）通过真空控制和真空腔提供变真空测试环境，在1E-04~1E+03Pa覆盖七个数量级的真空度变化范围内，测试NIST标准参考材料SRM 1453在不同真空度下的热导率，得到一条热导率随真空度变化的完整曲线，以期获得热导率随真空度变化的规律。2. 低温变真空瞬态平面热源法热导率测量系统 瞬态平面热源法热导率测量系统是依阳公司低温变真空环境热物理性能测试系统的一部分，采用HOTDISK公司配套产品进行热导率测试，配套主机如图1所示。选择HOTDISK公司的这台测量装置进行配套，主要考虑了以下几方面因素：（1）在采用瞬态平面热源法测试过程中，只需要简单地将探头固定在两块被测试样之间，在试样和探头温度恒定后，测试过程迅速。这样使得与试样直接发生关系的相关装置非常简单，便于对被测试样加载各种环境条件，这非常有助于进行低温和真空环境的材料热导率测试。 （2）瞬态平面热源法的热导率测试范围宽泛，基本可以覆盖绝大多数材料的热导率测试。有此采用一台这种测试仪器就可以实现金属和非金属的热导率测试，特别是低温和深低温环境下多涉及隔热材料和金属结构材料，以往至少需要两套大型测试设备才能分别实现隔热材料和金属材料的热导率测试，现在可以通过一套设备完美的解决热导率测试问题。（3）瞬态平面热源法热导率测试核心装置比较小，所需试样尺寸也不大，这就为多试样同时测量提供了可能。低温变真空环境材料热物理性能测试系统如图2所示，这套系统除了可以进行热导率测试能力之外，主要功能是模拟空间低温高真空环境，测试空间材料的低温热辐射性能。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041708_584268_3384_3.png图1 瑞典HOTDISK公司热常数分析仪http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041721_584269_3384_3.jpg 图2 低温变真空环境材料热物理性能测试系统低温变真空瞬态平面热源法热导率测量系统主要技术指标如下：（1）温度范围：-200℃~200℃（任一点可控）。 （2）真空度范围： 1E-06Pa～1E+05Pa（可控制范围 1E-01Pa～1E+05Pa）（3）热导率测试范围：400W/mK以下。3. 试样和测试卡具 将购置的厚度为14mm的NIST标准材料材料SRM 1453切割成100mm见方的正方形，如图3所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041721_584270_3384_3.jpg图3 NIST标准材料材料SRM 1453测试试样和测试卡具整体放置在如图4所示的真空腔体内，如图5所示将被测的NIST标准材料材料SRM 1453放入测试卡具内，如图6所示试样和探测器压紧后关闭真空腔，即可进行真空度的控制和热导率测试。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041721_584271_3384_3.jpg图4 低温高真空腔体 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041721_584272_3384_3.jpg图5 测试试样和测试卡具http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041721_584273_3384_3.jpg图6 试样安装完毕后的待测状态4. 测试结果 在NIST标准参考材料SRM 1453不同真空度下热导率测试过程中，首先在常温常压下进行测试，然后再逐渐提高真空度并进行真空度控制，真空度控制精度达到5‰，稳定性优于1%。每个真空度至少恒定半小时后再开始热导率测量，每个真空度下进行2次重复性测量，任何2次测量间隔至少30分钟以上。由于NIST标准参考材料SRM 1453比较薄，厚度为14mm，由此在测试中采用了小尺寸的探头，编号C5501。整个测试过程中，试样温度保持在室温范围内，温度范围为22℃～23℃。为了便于测量控制及描述，真空度单位采用Torr，测试结果如下表所示。表中的试验参数表示测试过程中的探头加热功率（豪瓦）和测试时间（秒）。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041722_584275_3384_3.png将以上测试结果绘制成横坐标为真空度、纵坐标为热导率的对数坐标曲线，如图7所示。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602041721_584274_3384_3.jpg图7 NIST标准参考材料SRM 1453常温不同真空度下的热导率测试结果5. 分析与结论 按照NIST所提供的SRM 1453热导率标准数据，在常温22℃的常压环境下，热导率标准数据为0.03348W/mK。按照上述的测试结果，在常温22℃的常压环境下，多次热导率重复性测量测试结果范围为0.03226~0.03251 W/mK，偏差范围为2.90%～3.65%，完全处于±5%的误差范围内。另外，从图7所示的测试结果可以看出，整

[color=#ff0000]摘要：薄的织物和隔热材料的逐渐广泛应用，使得现有各种测试方法已经无法满足这些材料导热系数和热阻准确测试的要求。本文详细介绍了现阶段对这些低导热薄材料热导率测试中存在的错误现象，从测试方法方面分析造成这些问题的原因，为今后准确测量提供参考和借鉴。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#ff0000][b]一、问题案例[/b][/color][/size]隔热材料作为有效阻断热量散失材料在各个领域发挥着重要重要，特别是在服装行业，薄的隔热织物越来越得到了重视和发展，为人体保温抗寒提供了更轻便和更舒适的面料。随着低导热薄织物的出现和技术发展，对薄织物的隔热性能，如导热系数和热阻，就提出了严峻的挑战，现有的各种测试方法都无法满足准确测量要求。如国内某机构研制开发了一种新型隔热面料，开发目的是设法采用纳米孔技术来大幅度降低面料的导热系数。面料的厚度为0.75±0.1mm，重量为48±2g/㎡，体积密度为65±11kg/m3,孔隙率为96%以上，闭孔率为95%以上，孔径30~190微米，壁厚为20~180纳米，面料如图1所示。此面料经不同检测机构采用多种测试方法进行了测试评价，导热系数测试结果如图2所示。[align=center][color=#ff0000][img=薄织物热阻和热导率测量,550,373]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206061135481562_7545_3384_3.jpg!w600x407.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1 新型隔热面料[/color][/align][align=center][color=#ff0000][img=薄织物热阻和热导率测量,550,221]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206061136137426_2566_3384_3.jpg!w600x242.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2 隔热面料导热系数测试结果汇总[/color][/align]从上述多种测试方法的导热系数测试结果可以看出，结果之间相差巨大，甚至出现了数量级的差别。特别是由纺织行业权威检测机构得到的超低导热系数测试结果（0.00824W/mK），严重误导了织物的提供方，织物提供方对这测试结果也表示怀疑，但检测机构也无法对测试的准确性进行核实。如图2所示，该薄织物还采用其他测试方法进行了导热系数测试，尽管没有出现太离谱的测试结果，但测试结果之间还是相差较大，测试结果显示出的是完全不同的隔热能力。鉴于上述混乱的导热系数测试结果，此织物的研发生产机构只能在官网上声明“导热系数是某某材料的核心数据。现有测试仪器和方法，无法测试出材料导热系数的绝对值。使用不同测试方法，供应用单位参考”。这是一个非常典型的无法得到准确测试结果的案例，此现象在纺织行业普遍存在。为彻底解决此问题，本文将针对薄织物的导热系数测试，从测试方法方面分析造成测量不准确的原因，为今后进一步开展新型测试方法研究提供参考和借鉴。[size=18px][color=#ff0000][b]二、薄织物和隔热材料导热系数测试方法分析[/b][/color][/size]在图2所示的导热系数测试结果中，几乎用到了现有的大多数标准测试方法，下面将对现有的已经和可能用于薄织物和隔热材料导热系数测量的各种测试方法进行分析。导热系数测试方法主要分为稳态法和瞬态法两大类，本文分析的具体路线是从稳态法和瞬态法的源头开始，然后延伸到相应的拓展方法，以期对多个测试方法的整体轮廓有一个清晰的概念。[color=#ff0000][size=16px][b]2.1 导热系数和热阻测试稳态法[/b][/size]2.1.1 稳态护热板法和稳态热流计法[/color]对于隔热材料导热系数测试，普遍采用的测试方法是经典的稳态护热板法（GB/T 10294)。稳态护热板法作为一种绝对法具有最高的测试精度，并同时用来校准相对测试方法稳态热流计法（GB/T 10295），其测量原理如图3所示。[align=center][color=#ff0000][img=薄织物热阻和热导率测量,550,358]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206061136309581_831_3384_3.png!w600x391.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图3 稳态护热板法测量原理示意图[/color][/align]为保证测量准确性，GB/T 10294标准文本做出明确规定，规定试件热阻不应小于0.1 m2K/W，规定用此来确定试件最小厚度。如果按照此规定，对于上述薄织物的0.75mm厚度，薄织物相应的导热系数不应大于0.0075W/mK才能符合规定。对于试件最小厚度做出规定，是因为试件太薄后试件内部热流分布不均匀和热场变形，并会造成试件上的温差很小，相应的温度传感器测量精度会在小温差测量上产生很大误差。由此，在标准文本中指出：当试件热阻低于0.1m2K/W时，表面温度的测量需要使用特殊的方法。冷板、中心量热计和护热板的表面应机械加工或切削平整、平行且不能有应力，同时它们的温度均匀性要求很高。这些要求在现实中很难实现或实现造价很高，因此对于厚度小于1mm的薄织物和隔热材料，稳态护热板法并不适合，很难满足导热系数准确测量的要求。对于稳态热流法导热系数测试，相应标准GB/T 10295给出了相同的最小热阻0.1m2K/W规定，同样需要按照此规定来确定试件最小厚度。由此可见，稳态热流计法同样存在温差测量不准确等一系列很难克服的问题，对于厚度小于1mm的薄织物和隔热材料，热流计法同样不适用。当然，在不得已的情况下，可以将多层薄织物叠加成厚试件以增大被测试件热阻来测量薄织物的导热系数。这种多层叠加形式在理论上确实能够测量导热系数，但最大问题是叠加过程中会在被测试件中产生空气隙而引入接触热阻，从而使得被测试件的热阻值变大，导致导热系数测试结果偏小，所以一般情况下不推荐采用多层叠加形式进行稳态法测量，除非被测试件比较柔软。[color=#ff0000]2.1.2 纺织品蒸发热板法[/color]纺织品蒸发热板法是一种上述稳态护热板法的一种变形，其基本原理完全基于稳态护热板法，不同之处是将图3稳态护热板法中的试件用空气层和被测试件来代替，以模拟人体散热和外部空气散热条件。 纺织品蒸发热板法目前执行的标准为GB/T 11048-2018，在具体测试中，通过从测定试件加上空气层的热阻值中减去空气层的热阻值得出所测材料的热阻值。需要特别注意的是，蒸发热板法中的热阻值与稳态护热板法中的热阻值并不能等效，这主要是因为以下不同：（1）蒸发热板法在测试热阻时，试件冷面处于空气对流传热环境；而稳态护热板法测试热阻时，试件冷面处于与冷板的导热传热环境。两种测试方法尽管原理相同，但边界条件和物理意义完全不同，蒸发热板法测试的是模拟环境下的等效热阻，稳态护热板法测试的是纯热传导环境下的导热热阻，在稳态护热板法中，根据此导热热阻和试件厚度，可以准确得到导热系数。（2）蒸发热板法中被测试件是平放在中心量热计上，试件靠自身重量与量热计接触。而稳态护热板法中试件通过上面的冷板加载一定的力与量热计接触，两者所形成的热接触效果完全不同，稳态护热板法中的接触热阻更小，即蒸发热板法中得到的试件热阻含有较大的接触热阻。（3）在蒸发热板法标准GB/T 11048中，只涉及了织物热阻的测量，并未涉及通过厚度和测量得到的热阻来计算获得织物的导热系数。这基本就意味着蒸发热板法不能用来测量导热系数。（4）另外，在蒸发热板法标准GB/T 11048中，规定可测量的最小热阻不能小于2m2K/W，与稳态护热板法和热流计法规定的0.1m2K/W最小热阻相比高了20倍，即蒸发热板法比较适合较大热阻的测量。根据上述分析，我们再来看图2得到的导热系数测试结果，就明显存在以下两大问题：（1）图2中的导热系数测量是依据GB/T 11048-2008，在此版本的蒸发热板法中，规定的热导率为热传导、热辐射和热对流的总和，是存在着三种传热形式的等效热导率，不能用此等效热导率与图2中的其他方法获得的纯导热传热过程的热导率相比较。（2）如果按照图2中的0.00824W/mK导热系数计算结果和0.75mm厚度可以反推出实际测量的热阻值，可得到热阻值为0.09m2K/W。显然此热阻值要远小于GB/T 11048-2008和GB/T 11048-2018中规定的最小可测热阻2m2K/W。从上述分析基本可以得出结论，即蒸发热板法不适合测量薄织物的热阻，更不适合测量纯导热性质的导热系数，这也是GB/T 11048-2018不再提热导率这个参数的主要原因。另外，检测机构出具图2所示的检测结果，也说明相关检测人员对标准方法GB/T 11048的适用范围还缺乏了解。[color=#ff0000]2.1.3 恒定热流法[/color]恒定热流法是上述稳态热流计法的一种变形，其测量原理与稳态热流计法完全相同，同样采用了热流计来测量流经试件厚度方向上的热流密度，不同之处在于采用了独特的技术手段来测量薄试件厚度方向上的小温差，并且可以加载压力以保证较小的接触热阻和准确控制试件厚度。恒定热流计法的相应标准为ASTM D5470，这种方法普遍用于薄型导热胶垫和固态电绝缘板材的导热系数和热阻测量。根据测量原理，恒定热流法应该比较适合薄织物和隔热材料的热导率和热阻的测量，但在具体测试过程中流经薄试件的热流密度很小，这就对热流密度测量精度提出了很高要求，现有执行标准ASTM D5470的测试仪器还无法实现如此小热流的准确测量，需要研发测量精度更高的测试设备以满足低导热薄片样品的测试要求。[color=#ff0000][b]2.2 导热系数测试瞬态法[/b]2.2.1 瞬态平面热源法（HOT DISK法）[/color]在图2所示的薄织物导热系数测试案例中，显示了采用瞬态平面热源法（HOT DISK法）的测试结果。已经有很多研究并报道了这种方法在低导热系数测试中存在测试结果偏高很多的现象，这方面的详细介绍及其解决方案可在网上搜索上海依阳编写的《气凝胶隔热材料超低导热系数测试中存在的问题及解决方案》应用报告。在瞬态平面热源法导热系数测试中，最大的问题是测量准确性无法进行考核。在稳态护热板法和热流计法中可以采用不同厚度标准参考材料来考核热阻的测量精度，而在HOT DISK法中只能测量热导率而无法测量热阻，那么对于导热系数低于标准参考材料数值0.03W/mK的低导热材料，就根本无法考核其测量的准确性。总之，瞬态平面热源法（HOT DISK法）也不适合测试低导热系数的薄织物和隔热材料。[color=#ff0000]2.2.2 闪光法[/color]闪光法作为一种应用最为普遍的绝对法，广泛用于各种固体材料的热扩散系数测量。但闪光法对于薄织物和隔热材料并不适用，主要原因如下：（1）对于低导热的薄织物和隔热材料，隔热性能比较好，热阻比较大，闪光信号很难传输到样品背面，信噪比较差，测量误差较大。（2）薄织物和隔热材料，多为多孔材料且透光，闪光加热很容易穿透被测试件。如果对试件表面进行遮光处理，遮挡涂层很容易进入试件孔隙而改变试件的导热系数。[size=18px][color=#ff0000][b]三、结论和今后工作[/b][/color][/size]通过上述薄织物和隔热材料测试案例和现有各种测试方法的分析，可以得出以下结论：（1）现有的各种导热系数测试方法，不论是稳态法还是瞬态法，都无法满足薄织物和隔热材料导热系数准确测试的需求。各种测试方法都有各自的局限性，没有一种完全适合低导热系数薄试件的测试方法。特别是目前用于纺织品热阻测量的GB/T 11048-2018测试方法，还存在很多问题，其中测量的热阻值应为等效热阻，是多种传热机理的复合作用结果，这很容易误导纺织品的开发人员。有关GB/T 11048-2018测试方法的更详尽研究分析，将在后续专文进行论述。（2）由于缺乏准确的测试方法，给新型织物材料的研究和研制带来的不便和困难，无法通过准确的热导率和热阻测量来调整材料的相应工艺。（3）对于薄织物和隔热材料的热导率测试，需要解决小温差和低热流密度精密测量难题，需要解决材料透光性的影响，这些都是今后工作的主要内容。（4）现有大多数采用稳态法的热阻和热导率测试仪器，所要求的样品尺寸太大，如大多采用面积为300mm×300mm的样品。对于薄织物和隔热材料的热导率测试，如果要实现高精度测量，如此大的样品尺寸势必会增大测试仪器的护热、机加工和热应力变形等方面的技术难度和造价。因此，对于厚度小于1mm的被测样品，完全可以采用小尺寸样品，如50mm×50mm，同样可以保证稳态下的一维热流。（5）对于难度最大的小温差准确测量，可以借鉴闪光法而避开热导率的直接测量，可通过测量热扩散率来间接获得热导率，热扩散率的测量则可以采用频域技术，通过频域技术可以非常准确的将温差信号转换为频域信号。这可能将是今后的一个重要研究方向。（6）另外，表征薄织物的热性能参数中，除了导热系数和热阻之外，还涉及到人体触摸织物的冷感或热感表征参数：吸热系数。最好有新型测试方法能将这些热性能参数进行整体考虑和测试，为织物热性能提供完整的准确测试评价。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：针对超高导热材料的热波法热导率测试，本文采用SimulationX软件对热波法进行了建模，针对室温至超低温下纯铜和304不锈钢这两种材料的热导率测量进行了仿真计算，考核了热波法的有效性和准确性，确认了超低温下方波加热功率、脉冲宽度和样品尺寸等测试参数范围，确认了热波法非常适用于固态隔热材料（中密度）至超高导热材料热导率的直接测量。[/color][color=#990000]关键词：超低温,液氦,热导率,热波法,simulaitonx,仿真,模拟,测量[/color][align=center][color=#990000][img=,500,453]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111051736498462_4892_3384_3.png!w690x626.jpg[/img][/color][/align][size=18px][color=#990000]1. 热仿真目的[/color][/size]　　针对2K~5K超低温范围内热波法热导率测量方法，在热导率测量装置设计前期采用SimulationX软件开展热仿真模拟，拟达到以下几方面的目的：　　（1）对超低温范围内热波法热导率测量的整个过程有较直观的认识。　　（2）了解热导率1~1000W/mK范围内样品的尺寸、热波加热功率和温度响应之间的相互关系，确定样品尺寸、加热功率和温度测控等相关参数，以帮助加热器、温度传感器、仪器仪表和测量装置的设计和选型。[size=18px][color=#990000]2. 热波法热导率测量原理[/color][/size]　　热波法基本原理是样品在非稳态条件下（样品温度单调缓慢上升或下降过程中），在样品热端施加周期方波热脉冲，如图2-1所示，通过测量加热功率、热脉冲宽度和温度响应来确定样品热导率。[align=center][color=#990000][img=,600,282]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111051741393969_2322_3384_3.png!w690x325.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center][color=#990000]图2-1 热波法热导率测量原理[/color][/align]　　热波法作为一种瞬态法，其主要特点如下：　　（1）测量装置结构与稳态法相同，但在测试过程中无需像稳态法那样达到热平衡状态，可在样品整体温度处于单调上升（或下降）的非平衡状态下进行测量，测试周期较短。　　（2）当热脉冲宽度为无限长时间时，tanh函数将趋于等于1，则样品将达到稳态条件，测试将转变为稳态法，上述测量公式将变为稳态法公式。即稳态法是脉冲法的一种极限情况，由此在一套测量装置中可分别进行热波法和稳态法测量，其中的稳态法可用来考核和校准脉冲法。　　（3）在热波法测量装置中，可通过延长热波周期时间（或加热功率恒定），使热波法转换为稳态法进行测量，由此可覆盖宽泛的热导率测量，即采用热波法测量高热导率（10~1000W/mK），采用稳态法测量低热导率（0.1~10W/mK）。　　（4）大多数测试高导热小样品材料的瞬态法，如闪光法、温度波法（ISO 22007-3）和Angstroem法等，这些方法只能测量热扩散率，无法直接获得热导率。这里的热波法相当于一种量热测试技术的变形，可直接测量热导率，而且非常适合高导热小样品（薄带和细条等）和高导热块体材料测量。[size=18px][color=#990000]3. 样品材料和热物理性能[/color][/size]　　为了覆盖超低温下热导率1~2600W/mK范围的测量，样品材料选择304不锈钢和纯铜[1]。这两种材料有比较齐全的热物理性能参数（热导率、比热容和密度）随温度变化数据，便于热仿真计算中物性参数的准确设置，图3-1是超低温下的热物理性能数据，其中密度选择采用常温数据。[align=center][color=#990000][img=,600,235]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111051741556618_1369_3384_3.png!w690x271.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center][color=#990000]图3-1 纯铜和不锈钢304样品材料超低温（10K以下）热物理性能数据[/color][/align]　　根据上述两种材料的热物理性能数据，纯铜在4K时的热导率为1100W/mK，如图3-2所示；304不锈钢在4K时的热导率为0.27W/mK，如图3-3所示。由此可见采用这两种材料进行低温热导率测试，可以覆盖仪器热导率测试设计要求范围。[align=center][color=#990000][img=,500,254]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111051740490758_7245_3384_3.png!w690x351.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center][color=#990000]图3-2 纯铜10K以下热导率数据[/color][/align][align=center][img=,500,253]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111051741047585_3222_3384_3.png!w690x350.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图3-3 不锈钢304在30K以下的热导率数据[/color][/align][size=18px][color=#990000]4. 仿真模型[/color][/size]　　SimulationX是一款多学科领域建模、仿真和分析的通用型CAE工具，具有强大标准元件库，非常适合瞬态和稳态热仿真计算。针对热波法所建立的SimulationX瞬态热仿真模型如图4-1所示。[align=center][color=#990000][img=,654,325]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111051741164542_5819_3384_3.jpg!w654x325.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center][color=#990000]图4-1 热波法SimulationX瞬态热仿真模型[/color][/align][size=18px][color=#990000]5. 结果[/color][/size]　　采用上述SimulationX模型，针对纯铜和304不锈钢两种材质样品，在不同温度和不同样品尺寸下进行仿真计算。[size=16px][color=#990000]5.1. 加热功率和样品尺寸的确定[/color][/size]　　根据图2-1中的稳态法公式，针对不同样品的热导率可估算加热功率和样品尺寸。　　对于极限情况，如热导率为2000W/mK的超高导热材料，样品长度（冷热端间距）制作为50mm，样品截面积为2mm×10mm，若想达到0.5K温差，则加热功率Q为：　　Q=(λ×A×ΔT)/d=2000×20×10-6×0.5/0.05=0.4W。　　对于另一种极限情况，如热导率为1W/mK的低导热材料，样品长度（冷热端间距）制作为5mm，样品截面积为10mm×10mm，若想达到0.5K温差，则加热功率Q为：　　Q=(λ×A×ΔT)/d=1×100×10-6×0.5/0.005=0.01W。　　总之，在仪器最大额定加热功率确定的情况下，可以通过改变样品尺寸和加热功率大小来达到最佳测试参数，如合理的温差和加热功率。[size=16px][color=#990000]5.2. 纯铜计算结果[/color][/size]　　（1）室温300K时计算结果：仿真计算得到的样品热端温度波形如图5-1所示。[align=center][color=#990000][img=,600,347]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111051742387652_3247_3384_3.png!w690x400.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5-1 纯铜300K时的热端温度波形[/color][/align]　　对于300K温度下的纯铜测试，其热导率理论值为401W/mK，样品长度选择25mm长，样品截面积为2mm×10mm。图5-1所示的仿真中选择的加热功率Q为0.15W，方波脉冲宽度为360s，由此得到的温差波峰值为0.471K，热导率计算结果为398.1W/mK，与理论值相比的相对误差为0.72%。　　（2）超低温10K时计算结果：仿真计算得到的样品热端温度波形如图5-2所示。[align=center][color=#990000][img=,600,345]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111051742229543_2309_3384_3.png!w690x397.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center][color=#990000]图5-2 纯铜10K时的热端温度波形[/color][/align]　　对于10K温度下的纯铜测试，其热导率理论值为2600W/mK。因热导率超高，故增加样品长度为50mm，样品截面积缩小为2mm×5mm。图5-2所示的仿真中选择的加热功率Q为0.2W，方波脉冲宽度为10s，由此得到的温差波峰值为0.386K，热导率计算结果为2591W/mK，与理论值相比的相对误差为0.36%。　　（3）超低温4K时计算结果：仿真计算得到的样品热端温度波形如图5-3所示。[align=center][color=#990000][img=,600,345]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111051742511130_668_3384_3.png!w690x397.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5-3 纯铜4K时的热端温度波形[/color][/align]　　对于4K温度下的纯铜测试，其热导率理论值为1100W/mK。因热导率超高，样品长度保持为50mm，样品截面积恢复到2mm×10mm。图5-3所示的仿真中选择的加热功率Q为0.2W，方波脉冲宽度为5s，由此得到的温差波峰值为0.457K，热导率计算结果为1095W/mK，与理论值相比的相对误差为0.49%。[size=16px][color=#990000]5.3. 不锈钢计算结果[/color][/size]　　（1）室温300K时计算结果：仿真计算得到的样品热端温度波形如图5-4所示。[align=center][color=#990000][img=,600,336]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111051743040049_3250_3384_3.png!w690x387.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center][color=#990000]图5-4 不锈钢300K时的热端温度波形[/color][/align]　　对于300K温度下的304不锈钢测试，其热导率理论值为14.9W/mK，样品长度选择5mm长，样品截面积为10mm×10mm。图5-4所示的仿真中选择的加热功率Q为0.1W，方波脉冲宽度为60s，由此得到的温差波峰值为0.335K，热导率计算结果为14.93W/mK，与理论值相比的相对误差为0.17%。　　（2）室温4K时计算结果：仿真计算得到的样品热端温度波形如图5-5所示。[align=center][color=#990000][img=,600,336]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111051743153516_5735_3384_3.png!w690x387.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5-5 不锈钢4K时的热端温度波形[/color][/align]　　对于4K温度下的304不锈钢测试，其热导率理论值为0.27W/mK，样品长度选择5mm长，样品截面积为10mm×10mm。图5-4所示的仿真中选择的加热功率Q为0.002W，方波脉冲宽度为60s，由此得到的温差波峰值为0.370K，热导率计算结果为0.2703W/mK，与理论值相比的相对误差为0.1%。[size=18px][color=#990000]6. 总结[/color][/size]　　通过上述SimulationX软件对热波法热导率测量的仿真模拟计算，达到了仿真目的，并得出以下结论：　　（1）热波法无需达到热平衡状态也可以进行样品热导率的直接测量，这是样品温度单调缓慢变化过程中快速进行热导率测量的技术基础，也是热波法有别于其他测试方法的突出特点。　　（2）热波法具有强大的超高热导率测试能力，这种能力除了可以在低温和超低温下测量评价超导材料外，更广泛的应用是对各种高导热电子材料热导率的准确测量，重要的是测量装置结构简单，样品尺寸小，样品加工和测量操作便利。　　（3）通过选择合适的样品尺寸、脉冲宽度和加热功率，热波法可以覆盖隔热材料（中密度）至超高导热材料的热导率测量，非常便于中低温下各种固体材料和薄膜材料的热导率准确测量，而无需已知样品的热扩散率和比热容。　　（4）热波法是一种相对测试方法，是量热法的一种变形，是以加热器作为量热计，因此必须准确已知作为加热器使用的量热计的热容。7. 参考文献[1] Ventura G, Perfetti M. Thermal properties of solids at room and cryogenic temperatures[M]. Berlin, Germany:: Springer, 2014.

摘要：采用瞬态平面热源法热导率测试系统对硅酸钙隔热材料、纳米超级隔热材料、低密度刚性隔热瓦和纤维增强碳气凝胶隔热材料四种比较典型隔热材料在常温常压下进行了热导率测试，目的是准确确定几种典型隔热材料在常温常压下的热导率数值，同时便于与其它热导率测试方法和测试设备进行对比，对其它测试方法和测试设备测量隔热材料热导率的测试结果做出基本的评判。1. 测试目的通过采用美国国家标准与技术研究院（NIST）的标准参考材料泡沫聚苯乙烯板SRM 1453对瞬态平面热源法热导率测试设备进行校准后，验证了瞬态平面热源法热导率测试设备对于均质低导热材料（热导率0.03W/mK量级）的热导率测试具有很高的测量精度，由此选取了几种典型隔热材料采用瞬态平面热源法进行测量，主要为了达到以下目的：（1）准确确定几种典型隔热材料在常温常压下的热导率数值；（2）便于与其它热导率测试方法和测试设备进行对比，对其它测试方法和测试设备测量隔热材料热导率的测试结果做出基本的评判。2. 典型隔热材料试样所选择的四种典型隔热材料分别为硅酸钙隔热材料、纳米超级隔热材料、低密度刚性隔热瓦和纤维增强碳气凝胶隔热材料。其中每种材料有两块试样，以下是这四种典型隔热材料每块试样的尺寸和密度资料。2.1. 硅酸钙隔热材料图2-1所示为1号试样，长宽厚分别为298×297×25.30mm，重量1720g，密度0.76g/cm3。图2-2所示为2号试样，长宽厚分别为298×298×25.15mm，重量1669g，密度0.75g/cm3。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602141214_584375_3384_3.jpg图2-1 硅酸钙隔热材料1号试样http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602141214_584376_3384_3.jpg图2-2 硅酸钙隔热材料2号试样2.2. 纳米超级隔热材料图2-3所示为1号试样，长宽厚分别为300×310×19.85mm，重量539g，密度0.29g/cm3。图2-4所示为2号试样，长宽厚分别为300×300×19.70mm，重量538g，密度0.30g/cm3。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602141214_584377_3384_3.jpg图2-3 纳米超级隔热材料1号试样http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602141214_584378_3384_3.jpg图2-4 纳米超级隔热材料2号试样2.3. 低密度刚性隔热瓦图2-5所示为1号试样，长宽厚分别为300×300×19.71mm，重量435g，密度0.25g/cm3。图2-6所示为2号试样，长宽厚分别为300×300×16.82mm，重量445g，密度0.25g/cm3。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602141214_584379_3384_3.jpg图2-5 低密度刚性隔热瓦1号试样http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602141214_584380_3384_3.jpg图2-6 低密度刚性隔热瓦2号试样2.4. 纤维增强碳气凝胶隔热材料图2-7所示为1号试样，长宽厚分别为295×290×18mm，重量405g，密度0.26g/cm3。图2-8所示为2号试样，长宽厚分别为295×290×21mm，重量449g，密度0.25g/cm3。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602141214_584381_3384_3.jpg图2-7 纤维增强碳气凝胶隔热材料1号试样http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602141214_584382_3384_3.jpg图2-8 纤维增强碳气凝胶隔热材料2号试样3. 测试结果3.1. 硅酸钙隔热材料热导率测试结果将硅酸钙隔热材料的1号和2号试样夹持住瞬态平面热源法探头并采用两个铜块压紧。采用C5501探头进行测量，功率25mW，加热时间40s，室温23℃。探头分别放置在如图3-1所示的八个位置上分别进行测量，每个位置重复测量2次，由此获得试样不同位置处的热导率，取平均后得到这两个试样的热导率平均值，测试结果如图3-1所示。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602141224_584383_3384_3.png图3-1 硅酸钙隔热材料试样不同测试位置示意图和热导率测试结果3.2. 纳米超级隔热材料热导率测试结果及厂家数据对比将纳米超级隔热材料的1号和2号试样夹持住瞬态平面热源法探头并采用两个铜块压紧。采用C5501探头进行测量，功率3mW，加热时间160s，室温22℃。探头分别放置在如图3-2所示的四个位置上分别进行测量，每个位置重复测量2次，由此获得试样不同位置处的热导率，取平均后得到这两个试样的热导率平均值，测试结果如图3-2所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602141224_584384_3384_3.png图3-2 纳米超级隔热材料试样不同测试位置示意图和热导率测试结果[co

[align=center][color=#990000]金属泡沫和多孔金属材料热导率测试方法选择和测量准确性保证措施[/color][/align][color=#990000][/color][align=center]Selection of Thermal Conductivity Test Methods for Foam and Porous Metal Materials and Measures to Ensure Measurement Accuracy[/align][align=center][img=,690,311]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111101109288670_1537_3384_3.png!w690x311.jpg[/img][/align][color=#990000]摘要：针对金属泡沫和多孔金属材料热导率测试，本文介绍和分析了常用的各种测试方法，选择了热流计法作为金属泡沫和多孔金属材料热导率测试的适合方法，提出了热流计法测试过程中测量准确性的保障措施，同时针对热流计法的不足，提出了一种新型绝对瞬态法（热波法）。热波法具有更高的测试精度、宽热导率和温度测试范围、样品形式多样以及测试仪器低造价的特点。[/color][color=#990000]关键词：泡沫金属,多孔金属,热导率,稳态法,瞬态法,保护热板法,热流计法,热波法[/color][color=#990000][/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000]1. 问题的提出[/color][/size]　　金属材料中存在有很大体积比（典型的约占75%~95%）的气孔，如果这些气孔是相互独立的闭孔，则称为金属泡沫；如果气孔是开孔，则称为多孔金属。为叙述方便，本文将金属泡沫和多孔金属通称为多孔金属材料。　　多孔金属材料的类型众多，如典型的泡沫铜铝镍材料，如图1-1所示；如3D打印的TPMS晶格结构钛合金多孔材料，如图1-2所示。[align=center][color=#990000][img=,570,350]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111101113113659_2804_3384_3.jpg!w570x350.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1-1 各种规格的泡沫铝[/color][/align][align=center][color=#990000][img=,690,279]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111101113237076_4077_3384_3.jpg!w690x279.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1-2 TPMS晶格结构钛合金多孔材料[/color][/align]　　由于多孔金属材料的独特结构，特别是孔的闭合形式、形状、尺寸和气孔率的不同，使得多孔金属材料整体看似是均质材料，但在小尺度上又有严重的非均质特性，这就给这种材料的热导率准确测量带来的很大困难。由此，如何选择合理的热导率测试方法，以及采取哪些措施来保证测量的准确性，就成为准确测试评价多孔金属材料传热性能的关键。　　本文将特别针对多孔金属材料，介绍现有的各种热导率测试方法，选择出多孔金属材料热导率测试的合适方法，同时介绍为保证热导率测量的准确性需要哪些具体措施。[size=18px][color=#990000]2. 常用热导率测试方法介绍[/color][/size]　　多孔金属是一种以热导率普遍较高的金属材料为基体且内部含有大量气孔的刚性材料。由于气孔的存在，使得多孔金属材料整体的密度要远小于基体金属密度，因此多孔金属材料的整体热导率一般会比基体金属热导率低1个数量级以上，但由于有基体金属的存在使得整体热导率又无法达到绝热材料的水平，通常依据基体金属的不同，多孔金属材料的热导率在0.05~10W/mK范围内。　　由于多孔金属材料的热导率介于低导热和高导热之间，理论上可以采用很多测试方法对多孔金属材料热导率进行测量，这些测试方法主要分为稳态法和瞬态法两类。[size=16px][color=#990000]2.1. 稳态法[/color][/size]　　稳态法热导率测试是对样品在所关心的方向上施加了与时间无关的温度梯度，其主要优点是高精度、测量公式简单和测量定向热导率的能力。此外，测试过程中的热流穿过整个被测样品，是对完整样品的整体热导率进行测量。稳态法测量中需要在被测样品上形成一定的温度梯度，温度梯度可能使得热导率随温度变化的测量变得复杂，因此稳态法测量得到的是整体样品的等效热导率，代表了导热、对流和辐射三种传热机理的耦合效应。稳态法另一个特点是确保热稳态所需的测量时间较长，特别是对于低导热材料。　　在测量精度最高的绝对稳态方法中，可直接测量热导率，这种方法的典型代表是常用的保护热板法，相应的标准有GB/T 10294、ISO 8302和ASTM C177。样品位于热板和冷板之间以在样品内产生温度梯度，当冷热板度差小于20℃时，测量的是热导率；冷热板温差大于20℃，由于热流和辐射传热的存在，测量的是等效热导率。保护热板法能作为一种绝对测量方法，是因为其中心量热计中的电加热热量完全无损的流经被测样品，精确测量并可溯源的电能转换为量热计热量输出，特殊的热保护装置对量热计进行绝热隔离消除侧向热损。保护热板法的测量原理如图2-1所示。[align=center][color=#990000][img=,516,301]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111101113353083_3634_3384_3.jpg!w516x301.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2-1 保护热板法热导率测量原理图[/color][/align]　　目前采用保护热板法的标准热导率测试仪器一般样品截面积尺寸在300mm×300mm以上，大样品尺寸的选择主要是保证样品边长与样品厚度有一个合适的比例，从而有效保证流经样品厚度方向上的热流是一维形式。　　相对于绝对法是一种相对稳态法，也可直接测量热导率，典型的有热流计法和保护热流计法。热流计法是上述保护热板法的一种变形，这类方法不是直接测量加热热量，而是通过放置在不同位置处的热流计测量流经被测样品的热流量，一般是将热流计放置在样品两端，相应标准是GB/T 10295、ISO 8301和ASTM C518，其原理如图2-2所示。[align=center][color=#990000][img=,640,361]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111101113513138_968_3384_3.jpg!w640x361.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2-2 热流计法热导率测量原理图[/color][/align]　　热流计法的特点是热流计必须经过绝对法进行校准，所以测量精度要低于绝对法，但热流计法可适用于小尺寸样品和高温测试，特别适用于实际隔热工况下大温差隔热材料的等效热导率测试，可准确评价冷热面大温差下多种传热机理共存时的等效热导率。　　在稳态热流计中，热流计可以有多种结构形式，热流计可以薄膜结构，也可以是块体结构。薄膜结构的热流计一般直接布置在被测样品冷端，如图2-2所示，而块体结构热流计则采用校准过的已知热导率材料并布置在被测样品的两端（或冷端），如图2-3所示。采用块体热流计进行材料热导率测试的标准有ASTM D5470、ASTM E1225和ASTM E1530。热流计法的主要特点是可以适用于各种规格尺寸大小和厚度的样品材料，薄膜结构热流计一般适用于高低温范围内低导热材料的热导率测量，块体结构热流计一般适用于常温附近和压力加载条件下的中高热导率测量，但为了保证测量精度，热流计法需要对热流计进行准确校准和侧向漏热处理。[align=center][color=#990000][img=,690,269]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111101114031441_5410_3384_3.png!w690x269.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2-3 三种块状热流计法热导率测量原理图[/color][/align][size=16px][color=#990000]2.2. 瞬态法[/color][/size]　　所谓瞬态法一般是通过接触式传感器或非接触光源给温度恒定样品加载一个热脉冲扰动，使受热面温度升高0.5~5℃，通过检测传感器或样品前后表面的温度响应，来计算得到相应的热导率或热扩散率。　　常用瞬态法主要包括瞬态热线法、瞬态热带法、瞬态平面热源法（HOT DISK法）和闪光法。热线法、热带法和平面热源法基本属于同一类测试方法，不同之处是测量传感器由一维热线转变为二维热带和热盘，但它们的测试过程和测试过程基本相同，都是将测量传感器夹持在两块相同被测样品中间，测量样品的大小尺寸使得传感器发出的热脉冲能量不会控制在样品内，即相对于探测器和热功率假设被测样品为无限大测试模型，典型的测量原理如图2-4所示。[align=center][color=#990000][img=,500,154]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111101114191601_1291_3384_3.jpg!w690x213.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2-4 瞬态平面热源法（HOT DISK法）测试原理图（热线法和热带法类似）[/color][/align]　　瞬态平面热源法是一种绝对测试方法，由于瞬态平面热源法探测器是一种圆盘形式，传热更具有对称性，并与被测样品具有良好的接触，所以目前瞬态平面热源法的应用十分普遍，在合适的被测样品情况下，热导率测量可覆盖0.01~400W/mK范围，相应的标准测试方法为ISO 22007-2。　　闪光法是一种非接触式测量方法，测试过程中闪光脉冲照射被测样品前表面，使样品表面温度升高1~5℃，通过红外探测器检测样品背面的温升变化，测量原理如图2-5所示。[align=center][color=#990000][img=,690,236]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111101114318067_1312_3384_3.jpg!w690x236.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2-5 闪光法热扩散系数测量原理图[/color][/align]　　闪光法的最大特点是样品尺寸较小，最大直径不超过25.4mm，最高测试温度可以达到2800℃，可测量1~500W/mK范围的材料热导率，但闪光法只能直接测量热扩散率，然后通过其他方法得到比热容和密度，通过计算得到热导率。[size=18px][color=#990000]3. 多孔金属材料热导率测试方法选择[/color][/size]　　从上述各种测试方法介绍中，可以采用排除法来选择哪种测试方法更适合多孔金属的热导率测量。　　首先可以舍弃闪光法，这主要因为闪光法测试多孔金属热导率中存在以下严重缺陷：　　（1）闪光法是非接触测量方法，闪光热脉冲以非接触方式照射样品前表面，这势必使得很大一部分热脉冲会穿过样品空隙直接照射到样品内部，从而严重破坏样品前表面受热模型。另外红外探测器是以非接触方式测量样品背面温度，但由于孔隙的存在，探测器会探测到后表面一定深度的温度变化，这些因素都会造成无法得到合理的测量结果。　　（2）上述热脉冲和背温红外探测穿过空隙的问题，可以通过在样品的前后表面制作薄的实心表面来解决。但闪光法样品尺寸较小且薄，对于实体金属材料，闪光法要求样品厚度一般在1~3mm范围内，如果按照此厚度在多孔金属材料上取样，对于微小孔洞材料问题不大，而对于较大孔洞材料而言往往会造成被测样品不具有代表性问题，这是舍弃闪光法最重要的因素。　　对于多空金属材料热导率的测量，其他瞬态法也可以舍弃，原因如下：　　（1）在热线、热带和热源法中，要求两块被测样品夹持探测器并形成良好的热接触。但由于多孔金属表面很难做到高精度的平整，势必在样品表面与探测器之间形成较大的接触热阻，而这种接触热阻还无法使用热界面材料来进行消除。　　（2）瞬态法测试中，若消除上述较大的接触热阻，需要在多孔金属的被测表面进行实心层处理。但在样品表面增加一层金属层后，瞬态法热脉冲会首先在此金属层内传递，然后再通过孔壁金属传递，由此测量得到热导率是金属层面内方向和多孔金属样品厚度方向的复合热导率，此复合热导率要比多孔金属厚度方向热导率大很多。　　在稳态法中，保护热板法可以直接舍弃，原因如下：　　（1）为了保证测量精度，特别是为了保证一维热流和足够的护热空间尺寸，保护热板法对样品的尺寸要求普遍较大，常规商用仪器的样品尺寸为300×300×20mm，最小也要200×200×10mm，这种规格尺寸对多孔金属样品而言过于庞大。　　（2）为了减少保护热板法测试中的接触热阻，被测样品的平整度有严格要求，如平行度和平整度要小于0.05mm，这对多孔金属材料样品的加工要求比较苛刻。　　（3）保护热板法一般用于测量热导率小于1W/mK的低导热材料，对于热导率通常大于1W/mK的多孔金属材料，样品厚度上的温差较小，保护热板法测量误差非常大。如要减少测量误差，就势必增大样品厚度，这又带来样品体积较大的问题。　　通过上述分析，只剩下的稳态热流计法，热流计法在多孔金属热导率测试中主要有以下几方面的特点：　　（1）尽管热流计法是一种相对测试方法，但如果热流计进行了准确的校准，热导率的测试精度完全能够满足工程需要，相对测量误差可以控制在±7%以内。　　（2）热流计法即可以用于各种尺寸大小样品的热导率测试。对于多孔金属材料，考虑到被测样品的代表性，可以采用图2-3所示的三种热流计法，样品尺寸可以控制在适中尺寸大小（如直径50mm×高度30mm），由此可以满足不同孔洞大小的多孔金属材料测试。　　（3）采用热流计法，特别是采用块状热流计进行测量，样品两个端面温度可以控制在较小的温差范围内，在保证足够测量精度的温差要求外，这样可以最大限度的减小较大温差带来孔洞内的对流和辐射，可以测量纯基材的等效热导率。　　（4）由于多孔金属材料属于中等热导率材料，高温下热导率测试需要很复杂的护热机构，所以采用块状热流计法一般直进行100℃以下（最高不超过300℃）的测试。[size=18px][color=#990000]4. 测量准确性保障措施[/color][/size]　　通过上述分析，针对多孔金属材料的热导率测量，可以选择图2-3所示的三种测试方法和相应仪器。但在使用这些测试方法过程中，为保证测量准确性，必须采取以下保障措：　　（1）测试仪器一定要按照相应测试方法的规定制定相应的校准操作流程，校准流程必须是在线校准方式，不能将热流计取出进行离线校准，这是因为热流计安装后会存在一定的接触热阻，必须通过在线校准才能真正得到实际仪器测试过程中的热流测量值。　　（2）根据热导率测试范围和样品的可能厚度，换算出相应的热阻测量范围，选择至少三种已知热导率的参考材料，并按照不同厚度和不同温度来对应整个热阻范围，然后通过这些参考材料对热导率测试仪器进行校准，而且这种校准需要半年进行一次，以避免仪器使用一段时间后接触热阻的改变所带来的影响。　　（3）为了进一步保证多孔金属材料热导率测量的准确性，在对多孔金属样品进行完热导率测量后，最好对与被测多孔金属样品热阻近似且已知的实心样品（直径相同，但高度不同）进行对比测试。　　（4）如果多孔金属样品表面很难加工成平整表面，则要考虑将样品制成图1-2所示结构，即在多孔金属样品的两个测试面上增加一层相同材质的金属薄层，对于大尺寸孔洞样品这点尤为重要，否则会引入较大的接触热阻而使得热导率测量结果偏小。[size=18px][color=#990000]5. 测试方法的改进[/color][/size]　　通过以上分析可以看出，尽管选择采用热流计法对多孔金属热导率进行测量，但还是存在以下不足：　　（1）热流计法需要繁复的校准过程，但测量精度还是不如保护热板法，这将非常不利于多孔金属材料的结构设计和精细优化。　　（2）热流法热导率测试设备整体结构还是复杂，能满足一定测量精度要求的测试仪器整体造价还是偏高。　　（3）能进行多孔金属热导率测试的热流计法导热仪普遍测试温度不高，无法满足目前和今后更高温度的测试需求。　　为此，我们提出一种基于绝对稳态法热导率测量的崭新瞬态测试方法——热波法。热波法基于绝对稳态法，在样品冷面温度线性变化过程中，在样品热面加载设定功率和宽度的方波热脉冲，通过冷热面温差波形可以直接测量出样品热导率随温度的变化。　　热波法作为一种瞬态法，但如果方波脉冲宽度变得无限大，则热波法就转变为典型稳态法，稳态法是热波法的一种特例。热波法作为一种绝对测试方法，其最大特点是测量精度高，且是在温度线性升降温过程中连续扫描测量热导率，同时热导率测试范围宽泛（0.1~2000W/mK），测试温度范围宽泛（液氮温度~1000℃），测试仪器整体造价低，以及模块式结构可实现各种几何形状固态材料（薄膜、薄板、细棒、块体）的热导率测量。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：做为新一代半导体材料的3C、4H和6H碳化硅，其显著特点之一是具有比银和铜更高的热导率。热导率是评价这些高导热碳化硅晶圆的重要技术指标，而准确测试碳化硅晶圆热导率则需要对测试方法进行合理的选择。本文将针对高导热碳化硅晶圆，介绍目前常用的几种热导率测试方法，并做出分析，对热导率测试方法的选择给出参考意见。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000]一、高导热碳化硅及其常用测试方法[/color][/size]做为新一代半导体材料的3C、4H和6H碳化硅，其显著特点之一是具有比银和铜更高的热导率，如依据日本东芝公司的报道[1]，一些典型半导体材料的物理性能如表1所示。[align=center][color=#990000]表1 一些典型半导体材料的物理性能[/color][/align][align=center][img=超高热导率测试,690,187]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201281920519981_532_3384_3.png!w690x187.jpg[/img][/align]随着电子科技技术的快速发展，对于高导热碳化硅的测试研究也得到了重视，大量文献报道了对高导热碳化硅热导率测试所进行的测试研究[2-10]，但不同工作之间存在着相互矛盾的测试结果，如4H-SiC的热导率是否高于6H-SiC就存在争议[3,6,7]。更重要的是，根据晶格结构可以判断出4H-和6H-SiC的热导率呈各向异性特征，但由于在测量精度上存在问题，使得之前有些测试研究通常会忽略这种差异[2,4,5]。文献[9]采用光热辐射法测量了6H-SiC的各向异性热导率，文献[10]基于飞秒激光的时域热反射法在250K~450K的温度范围内测量了4H和6H碳化硅的各向异性热导率。从上述文献报道可以看出，目前对于碳化硅高热导率的测试主要集中在激光闪光法、热反射法和稳态法这三类测试方法。本文将针对高导热碳化硅，特别是碳化硅晶圆，介绍目前常用的几种热导率测试方法，并做出分析，对热导率测试方法的选择给出参考意见。[size=18px][color=#990000]二、激光闪光法[/color][/size]闪光法（Flash Method）做为一种经典和广泛应用的热性能测试方法，非常适合1~400W/mK范围内热导率测试。但对于更高热导率材料的测试，特别是高导热碳化硅圆晶这类材料，采用闪光法测试会存在巨大误差， 这主要是由以下几方面因素所造成：（1）闪光法中加热样品前表面的光脉冲宽度一般为几十至几百微秒，在此脉冲宽度内要实现对400W/mK以上的高导热样品进行准确测量，需要样品厚度至少3mm以上，而且随着样品热导率增大，样品厚度也要相应变大。这种对样品厚度的要求是很多高导热材料无法满足的，如4H、6H-SiC圆晶厚度最大只有0.5mm。如若测量薄样品，则需将闪光脉宽缩短至几微秒量级，这往往是很多测试所忽略的造成测试误差的主要因素之一。（2）为了增加样品前表面吸收闪光加热的能量和提高样品背面测温的准确性，特别是对于一些透明或半透明样品，闪光法测试中通常会在样品的前后表面喷涂上石墨黑胶以提高发射率，同时阻挡加热光透过样品和避免背温测量出现误差。黑胶厚度一般约为0.05mm，但在具体使用过程中，喷涂黑胶要掌握一个原则，即相对于被测样品热阻，前后两面的黑胶热阻可以忽略不计，否则会形成三层样品结构，黑胶层会给测量结果带来严重影响，这在高导热且很薄的碳化硅和金刚石等材料测试中会非常明显，这也是闪光法无法应用在4H、6H-SiC圆晶热导率测试中的主要原因。（3）闪光法通常只能测量样品的热扩散率，还需进行比热容和密度的单独测量后，通过计算最终获得热导率。这些比热容和密度的测试，会给热导率结果带来相应的误差累积。[size=18px][color=#990000]三、热反射法[/color][/size]热反射法（Thermo-Reflectance）基于前述的闪光法，但采用了超高速周期脉冲激光，脉冲宽度为纳秒（ns）量级，甚至可达到皮秒（ps）量级，非常适合测量厚度低至10nm的薄膜样品（带或不带基片），可测量金属、陶瓷、聚合物薄膜的热物性参数，如热扩散率、吸热率和界面热阻。如图1所示，热反射法可应用于不同测量模式，以适应于不同的样品和基片情况（透明/不透明）。[align=center][color=#990000][img=超高热导率测试,690,331]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201281923345488_7962_3384_3.jpg!w690x331.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 热反射法基本原理[/color][/align]在热反射法背面测量模式中，主激光源表面背面加热样品，检测激光从上表面测量样品的温度变化过程，从而测得样品的热扩散率。这种模式与传统闪光法一样，并且适用于透明基片上的薄膜样品测量。在热反射法前表面测量模式中，主激光源从前表面加热样品，检测激光同样从前表面测量样品的温度变化过程。这是一种经典的前表面闪光法，并且适用于不透明基片上的薄膜样品测量。从上述热反射法原理和能力可以看出，在理论上热反射法可以进行薄的高导热材料测试，但缺点同样非常明显，到目前为止还未在工业中得到真正的推广应用，还仅停留在学术研究层面。（1）热反射法同样需要在被测样品上增加吸热层，由此会形成三层结构的测试模型，并且要求已知吸热层甚至基材的热物性参数，测试模型的简化和计算会给测量带来严重的系统误差。（2）缺乏测量准确性的评估，目前还未看到采用参考材料对热反射法进行的任何评估报道，这严重制约了热反射法的推广应用。（3）由于需要高速激光用来加热和探测，热反射法测试设备非常昂贵。[size=18px][color=#990000]四、热波法和稳态法[/color][/size]对于高导热材料的热导率测试，典型如热导率为1800~2000W/mK的金刚石材料，已经开展了几十年的研究，业内普遍认同的测试方法是经典的稳态法，并得到了广泛应用[11,12]。对于高导热碳化硅圆晶，稳态法是比较合适的测试方法，测试不会受到高热导率和透明等因素的影响，样品尺寸也没有大小的限制，对于直接无损测量整个圆晶更具有突出优势。这里将主要介绍一种基于稳态法发展起来的新型测试方法——热波法，稳态法只是热波法中的一种特例。热波法基本原理是样品在非稳态条件下（温度单调缓慢上升或下降），在样品热端施加周期方波热脉冲，如图2所示，通过测量加热功率、热脉冲宽度和温度响应来确定传热方向热导率。[align=center][color=#990000][img=超高热导率测试,690,326]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201281923516336_8129_3384_3.jpg!w690x326.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 热波法基本原理[/color][/align]热波法作为一种瞬态法，其主要特点如下：（1）测量装置结构与稳态法基本相同，但在测试过程中无需像稳态法那样达到热平衡状态，可在样品整体温度处于单调上升（或下降）的非平衡状态下进行测量，测试周期短。（2）当热脉冲宽度为无限长时间时，tanh函数将趋于等于1，则样品将达到稳态条件，测试将转变为稳态法，上述测量公式将变为稳态法公式。即稳态法是脉冲法的一种极限情况，由此在一套测量装置中可分别进行热波法和稳态法测量，其中的稳态法可用来考核和校准脉冲法。（3）在热波法测量装置中，可通过延长热波周期时间（或加热功率恒定），使热波法转换为稳态法进行测量，由此可覆盖宽泛的热导率测量，即采用热波法测量高热导率（10~3000W/mK），采用稳态法测量低热导率（0.1~10W/mK）。（4）大多数测试高导热小样品材料的瞬态法，如闪光法、温度波法（ISO 22007-3）和Angstroem法等，这些方法只能测量热扩散率，无法直接获得热导率。这里的热波法相当于一种量热测试技术的变形，可直接测量热导率，而且非常适合高导热小样品（薄带和细条等）和高导热块体材料测量，也可通过增加测温点和加热方式，来测量热扩散率和比热容。（5）热波法热导率测试，可以采用现有的各种热导率参考材料进行测量精度的考核和检验，有助于对测量结果有比较明确的了解。（6）使用热波法测试中需要特别注意的是热导率测试方向性，热波法测试方法的核心之一是在被测样品的传热方向上形成可准确测量的温差，所以热波法适合20mm以上长度的样品测试，非常适合薄膜材料面内方向上的热导率测量，但对于薄膜材料厚度方向上的热导率测试，热波法则无能为力。[size=18px][color=#990000]五、结论[/color][/size]通过上述对闪光法、热反射法和热波法的介绍和分析，可以得出以下结论：（1）对于3C、4H和6H碳化硅的高热导率测试，比较合适的方法是热波法或稳态法，但在具体使用中需要特别注意热导率的方向性。（2）对于透明透红外的高热导率薄样品，不建议采用常规的闪光法测试，表面黑胶或其他金属涂层会给测量结果带来严重影响。（3）热反射法作为一种高速超短脉冲闪光法，非常适合测试研究薄膜材料厚度方向上的热扩散率，但因增加了额外的表面吸热金属层，会造成测试模型非常复杂，测量准确性难以保证，但用来测试研究热导率的量级大小和各向异性特征则十分有效。总之，上述方法的选择只是针对碳化硅圆晶高热导率测试的建议，还可以采用其他方法，如经典的瞬态平面热源法（HOT DISK法），但这种方法目前只适合室温附近温度不高范围内的面内方向热导率测试，而且被测样品尺寸要求较大，一般需要100mm×100mm以上的大面积。对于瞬态平面热源法，实验验证过的能力是完全可以测试紫铜热导率（25℃时测试结果为393W/mK，样品尺寸为150mm×150mm×1.5mm）。[size=18px][color=#990000]六、参考文献[/color][/size][1] TOSHIBA, Comparison of SiC MOSFET and Si IGBT, SiC MOSFET Application Note, 2020.[2] Slack, G. A., Thermal Conductivity of Pure and Impure Silicon, Silicon Carbide, and Diamond. J. Appl. Phys. 1964, 35, 3460-3466.[3] Brethauer, J., Mapping the Thermal Conductivity of Sic/Sic Composites, Phd Thesis University of Illinois at Urbana-Champaign, 2017.[4] Wei, R. Song, S. Yang, K. Cui, Y. Peng, Y. Chen, X. Hu, X. Xu, X., Thermal Conductivity of 4h-Sic Single Crystals. J. Appl. Phys. 2013, 113, 053503.[5] Morelli, D. T. Heremans, J. P. Beetz, C. P. Yoo, W. S. Matsunami, H., Phonon‐Electron Scattering in Single Crystal Silicon Carbide. Appl. Phys. Lett. 1993, 63, 3143-3145.[6] Protik, N. H. Katre, A. Lindsay, L. Carrete, J. u. Mingo, N. Broido, D., Phonon Thermal Transport in 2h, 4h, and 6h Silicon Carbide from First Principles. Materials Today Physics 2017, 1, 31-38.[7] Morelli, D. T. Heremans, J. P. Beetz, C. P. Yoo, W. S. Harris, G. Taylor, C., Carrier Concentration Dependence of the Thermal Conductivity of Silicon Carbide. Institute of Physics Conference Series 1994, 137, 313-316.[8] Nilsson, O. Mehling, H. Horn, R. Fricke, J. Hofmann, R. M¨uller, S. G. Eckstein, R. Hofmann, D., Determination of the Thermal Diffusivity and Conductivity of Monocrystalline Silicon Carbide (300-2300K). High Temperatures . High Pressures 1997, 29, 73-79.[9] Burgemeister, E. A. von Muench, W. Pettenpaul, E., Thermal Conductivity and Electrical Properties of 6hsilicon Carbide. J. Appl. Phys. 1979, 50, 5790-5794.[10] Qian X, Jiang P, Yang R. Anisotropic thermal conductivity of 4H and 6H silicon carbide measured using time-domain thermoreflectance[J]. Materials Today Physics, 2017, 3: 70-75.[11] Inyushkin A V, Taldenkov A N, Chernodubov D A, et al. High thermal conductivity of bulk GaN single crystal: An accurate experimental determination[J]. Jetp Letters, 2020, 112(2): 106-111.[12] Inyushkin A V, Taldenkov A N, Ralchenko V G, et al. Isotope Effect in Thermal Conductivity of Polycrystalline CVD-Diamond: Experiment and Theory[J]. Crystals, 2021, 11(4): 322.[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][align=center][/align][align=center][/align]

[align=center][color=#990000][img=液氢用隔热材料热导率测试,690,489]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/03/202203220921348958_6121_3384_3.png!w690x489.jpg[/img][/color][/align][color=#990000]摘要：对于运载火箭低温绝热贮箱，特别是针对温度极低和危险性极大的液氢推进剂，如何准确测量贮箱绝热材料热导率面临着诸多严峻挑战，如液氢安全性、大温差多种传热方式共存、地面及空间使用条件和测试设备造价等。本文详细介绍这些技术难题，并提出了解决这些难题且具有高可靠性和低成本性的技术方案。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#990000]一、概述[/color][/size]对于运载火箭发动机用的液氢燃料，需要专门设计的低温绝热贮箱以最大限度的避免液氢介质的漏热损失。同时，由于重量和空间环境的限制，贮箱的设计要求并不允许使用传统的低温绝热类型和材料，如真空绝热层、珍珠岩等材料。目前低温推进剂在轨贮存较为常用的组合绝热材料为泡沫与多层隔热材料( MLI）[1]。运载火箭在整个发射过程主要存在三种热量来源：一是起飞前地面的外部热环境；二是发射过程中箭体表面与空气摩擦产生的热量 三是太阳光照、宇宙射线等外界辐射的直射和反射。 前两种热环境中低温绝热贮箱的漏热途径主要是对流和固体传热，而第三种条件下，由于周围环境真空度很高，辐射成为主要的漏热方式。因此组合绝热材料设计需同时考虑上述几种传热方式，以阻断低温贮箱的漏热路径，同时还需在模拟以上外部热环境的条件下对贮箱用绝热材料的热导率进行准确测量和评价。对于运载火箭低温绝热贮箱，特别是针对温度极低和危险性极大的液氢推进剂，如何准确测试贮箱绝热材料的热导率将面临严峻挑战。本文将详细介绍液氢温度下绝热材料热导率测试中存在的技术难题，并提出了相应的解决方案。[size=18px][color=#990000]二、技术难题[/color][/size]从上述低温绝热贮箱的热环境可知，需要在地面模拟出相同的环境条件下才能对贮箱用绝热材料的热导率进行准确合理的测试评价。由此会带来以往低温热导率测试从未遇到过的一系列技术难题。（1）首先是测试温度问题：考虑到氢气的熔点为13.99K，沸点为20.271K，由此就必须要在液氢（14~20K）温度范围内测试绝热材料的热导率。而直接以液氢作为低温介质，并采用现有热导率测试方法，会存在巨大的安全问题和高昂的测试设备造价。（2）测试方法问题：为避免采用危险的液氢介质，且还要实现液氢温度下的低温热导率测试，按照ASTM C1774“低温绝热系统热性能测试的标准指南”的推荐[2]，可供选择的测试方法一是采用液氦做介质的蒸发量热法，二是采用低温制冷机的电功率法。因为采用液氦作为低温介质的成本更是巨大，所以较优的方案是采用低温制冷机。但在20K低温下进行热导率测试，测试设备中的低温漏热非常严重，必须采用大功率的低温制冷机，而大功率低温制冷机的售价非常昂贵，因此如何采用低功率制冷机实现液氢温度环境是首先需要解决的关键问题。（3）低温大温差问题：在液氢贮箱中使用的低温绝热材料将处于内部温度为20K左右，外部温度为室温的大温差条件。在此270K的大温差下，绝热材料内部必然会存在热导、对流和辐射三种传热机理。如何在此大温差下准确测量绝热材料的等效热导率也是需要解决的关键问题。（4）环境气压模拟问题：在液氢储箱绝热材料使用过程中，所经历的气压环境是从发射前的地面一个大气压到发射后的空间高真空，因此在热导率测试过程中需要实现从常压到高真空的整个负压范围内的模拟。（5）绝热稳定性测试问题：如果运载火箭液氢加注后在室外大气压下的停放时间增加，绝热材料的热导率会产生显著增加现象，甚至会出现热导率数量级上的增大。这是因为当空气渗入隔热材料时，隔热材料会从空气中低温吸附水蒸气、二氧化碳、氧气和氮气，并随后在颗粒之间的间隙中形成具有高导热性的固体颗粒和液滴。因此，对于绝热材料的低温热导率测试，必须要具备长时间常压下大温差的连续测试能力。（6）饱和气体模拟问题：在液氢推进剂加注过程中[3]，需要加载高纯度氮气和氦气进行置换，而加压氮气和氦气会渗入绝热材料中，因此在绝热材料热导率测试中需要具备模拟相应气体饱和条件的能力。[size=18px][color=#990000]三、解决方案[/color][/size]针对液氢贮箱用绝热材料热导率测试中所面临的上述技术问题，提出了以下解决方案：（1）针对液氢温度的实现，将采用低温制冷机和液氮的组合形式。通过廉价的液氮低温介质（77K）提供基础低温环境和低温漏热防护，然后通过小功率制冷机再将测试温度降低到20K左右，由此可大幅降低测试设备的造价。（2）针对各种气氛和气压的模拟实现，整个测试系统为双真空腔套筒结构。热导率测量装置放置在内部真空腔内，此内部真空腔侧壁内通液氮介质形成基础低温。采用穿过外部和内部真空腔壁的低温制冷机对样品进行冷却以实现最低液氢温度下的热导率测试。内外两个真空腔室可以独立进行气氛和气压的调节和控制，以模拟不同的气氛环境条件。（3）针对低温绝热材料热导率测试，具体的测试方法借鉴了ASTM C1774指南，绝热材料样品上的温度形成采用了ASTM C1774中的电功率法结构，但热导率测试则采用了热流计法。通过此方案，被测样品采用为单片矩形平板，可以轻易实现大温差下的热导率测试。综上所述，通过上述测试方案，可比较顺利和较低造价的解决液氢贮箱实际操作条件下绝热材料的热导率测试问题，并具有长时间连续测量的可靠性和低成本性。[size=18px][color=#990000]四、参考文献[/color][/size][1] 闫指江, 吴胜宝, 赵一博,等. 应用于低温推进剂在轨贮存的组合绝热材料综述[J]. 载人航天, 2016, 22(3):5.[2] ASTM C1774 Standard Guide for Thermal Performance Testing of Cryogenic Insulation Systems, ASTM International, West Conshohocken, PA (2013).[3] 王红雨. 液氢加注系统的气体置换方法探讨[J]. 低温与特气, 2007, 25(3):3.[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：针对一系列不同密度的硬质聚氨酯泡沫塑料被测样品，采用瞬态平面热源法（HOT DISK法）导热仪，在常温常压下进行了导热系数测试，以了解导热系数随密度的变化规律。测试结果显示聚氨酯泡沫塑料导热系数随密度增大呈单调线性升高。[/color][size=18px][color=#990000]一、测试信息[/color][/size]（1）目的：测试不同密度硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数。（2）测试方法：瞬态平面热源法（HOT DISK法）——ISO 22007-2-2008。（3）测试温度：24℃、常压大气。（4）样品密度：45、65、80、100、130、150、200和250 kg/m3。[size=18px][color=#990000]二、样品及其测试[/color][/size][align=center][img=瞬态平面热源法热导率测试,690,340]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111241517577586_8445_3384_3.png!w690x340.jpg[/img][/align][align=center][img=瞬态平面热源法热导率测试,400,385]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111241518459698_2069_3384_3.png!w400x385.jpg[/img][/align][size=18px][color=#990000]三、导热系数测量结果[/color][/size][align=center][img=瞬态平面热源法热导率测试,690,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111241519073541_6342_3384_3.png!w690x400.jpg[/img][/align]