導(dǎo)熱系數(shù)的兩大類測量方法介紹

導(dǎo)熱系數(shù)是指單位時(shí)間內(nèi)在單位溫度梯度下沿?zé)崃鞣较蛲ㄟ^材料單位面積傳遞的熱量。單位為瓦每米開爾文[W/(m·K)] 。根據(jù)導(dǎo)熱機(jī)理不同，導(dǎo)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(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(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)。原理簡單清晰，精確度高，但測量時(shí)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(gè)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。測量樣品厚度、溫度梯度與通過樣品的熱流便可計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。

 

(2) 保護(hù)熱流法導(dǎo)熱儀

其測量原理幾乎與普通的熱流法導(dǎo)熱儀相同。不同之處是測量單元被保護(hù)加熱器所包圍，因此測量溫度范圍和導(dǎo)熱系數(shù)范圍更寬。

 

(3) 保護(hù)熱板法導(dǎo)熱儀

熱板法或保護(hù)熱板法導(dǎo)熱儀的工作原理和使用熱板與冷板的熱流法導(dǎo)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?qū)ΨQ的熱流，并使加熱器的能量被測試樣品*吸收。測量過程中，精確設(shè)定輸入到熱板上的能量。通過調(diào)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(jìn)行調(diào)整。熱板周圍的保護(hù)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(yīng)用Fourier方程便能夠算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

2、動(dòng)態(tài)(瞬時(shí))測量法

 

動(dòng)態(tài)測量法是最近幾十年內(nèi)開發(fā)的導(dǎo)熱系數(shù)測量方法，用于研究中、高導(dǎo)熱系數(shù)材料，或在高溫度條件下進(jìn)行測量。動(dòng)態(tài)法的特點(diǎn)是精確性高、測量范圍寬(高能達(dá)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(shí)，在熱線上施加一個(gè)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(shí)間上升的關(guān)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(guān)系測量熱線本身的溫升。一般來說，交叉線法適用于導(dǎo)熱系數(shù)低于2W/m·K的樣品，熱阻法與平行線法適用于導(dǎo)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(kuò)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(dǎo)熱系數(shù)。

應(yīng)用激光閃射法時(shí)，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(jìn)行加熱。熱量在樣品中擴(kuò)散，使樣品背部的溫度上升。用紅外探測器測量溫度隨時(shí)間上升的關(guān)系。 根據(jù)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的數(shù)學(xué)模型，即可確定試樣的熱擴(kuò)散率。