導熱系數測試方法的綜述

摘 要：本文介紹了導熱系數的五種測試方法，描述各種方法的測試原理及其計算方法。材料導熱系數測試方法各有其特點，在選擇時，應該充分考慮測試材料的性質、導熱系數范圍、測試溫度等。

關鍵詞：導熱系數；熱流計法；防護熱板法；圓管法；熱線法；閃光法

1 前 言

導熱系數是指在穩定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側表面的溫差為1K，在1s內，通過1m2面積傳遞的熱量，用λ表示，單位為W/m·K。陶瓷材料的導熱系數是測量其熱物理性質的關鍵。陶瓷耐火材料常被用作爐子的襯套，因為它們既能耐高溫，又具有良好的絕熱特性，可以減少生產中的能量損耗。航天飛機常使用陶瓷瓦作擋熱板。陶瓷瓦能承受航天飛機回到地球大氣層時產生的高溫，有效防止航天器內部關鍵部件的損壞。在現代化的燃氣渦輪電站，渦輪的葉片上的陶瓷涂層（如穩定氧化鋯）能保護金屬基材不受腐蝕，降低基材上的熱應力。作為有效的散熱器能保護集成電路板與其它電子設備不受高溫損壞，陶瓷已經成為微電子工業領域的關鍵材料。若要在和熱相關的領域使用陶瓷材料，則要求精確測量它們的物理性能。

熱量傳遞的三種基本方式是：對流、輻射與傳導。對流是流體與氣體的主要傳熱方式，對固態與多孔材料傳熱不起重要作用。對于半透明與透明陶瓷材料，尤其在高溫情況下，必須考慮輻射傳熱，除了材料的光學性質外，邊界狀況亦能影響傳熱。對于陶瓷材料而言，傳導是最重要的傳熱方式，熱量的傳導基于材料的導熱性能——傳導熱量的能力。

2 導熱系數的測試方法

常用的導熱系數測試方法有：熱流計法、防護熱板法、圓管法、熱線法、閃光法。

（1） 熱流計法

熱流計法[1]是一種間接或相對的方法。它是測試試件的熱阻與標準試件熱阻的比值。當熱板和冷板在恒定溫度和溫差的穩定狀態下，熱流計裝置在熱流計中心區域和試件中心區域建立一個單向穩定熱流密度，該熱流穿過一個（或兩個）熱流計的測量區域及一個（或兩個接近相同）試件的中間區域。假定測量區域具有穩定的熱流密度，以及穩定的溫差和平均溫度。用標準試件測得的熱流量為Qs、為熱阻Rs，被測試件測得的熱流量為Qu、熱阻為Ru，其比值為：

由式（1）可計算出Ru，如果滿足確定導熱系數的條件，且試件厚度d已知，可由公式（2）算出試件的導熱系數λ。

（2） 防護熱板法

防護熱板法[2]的工作原理和熱流法相似，其測試方法是目前公認的準確度最高的，可用于基準樣品的標定和其他儀器的校準，其實驗裝置多采用雙試件結構。其原理是在穩態條件下，在具有平行表面的均勻板狀試件內，建立類似于兩個平行的溫度均勻的平面為界的無限大平板中存在的一維的均勻熱流密度。雙試件裝置中，由兩個幾乎相同的試件組成，然后其中夾一個加熱單元，加熱單元由一個圓或方形的中間加熱器和兩塊金屬板組成。熱流量由加熱單元分別經兩側試件傳給兩側冷卻單元。當計量單元達到穩定傳熱狀態后，測量出熱流量φ以及此熱流量流過的計量面的面積A，即可確定熱流密度q。由固定于金屬板表面或在試件表面適當位置的溫度傳感器測量試件兩側的溫度差ΔT，熱阻R可由Q、A和ΔT計算得出，計算方法如下：

當滿足一定條件時，測定試件的厚度d，由式（2）可計算出試件的平均導熱系數λ。

（3） 圓管法

圓管法[3]是根據圓筒壁一維穩態導熱原理，測定單層或多層圓管絕熱結構導熱系數的一種方法。根據傅立葉定律，在一維、徑向、穩態導熱的條件下，管狀絕熱材料的結構導熱系數可采用式（4）計算：

式中：

Q——通過絕熱材料的熱量，W；

d2——絕熱材料外表面直徑，m；

d1——絕熱材料內表面直徑，m；

t2——絕熱材料外表面溫度，℃；

t1——絕熱材料內表面溫度，℃；

l——絕熱材料的有效長度，m。

如果絕熱材料在管道上使用，則必須根據使用狀況用圓管法進行測定。因為圓管法能將絕熱材料在管道上的實際使用狀況，如絕熱材料間的縫隙及材料的彎曲等因素都反映在測試結果中。

（4） 熱線法

熱線法[4]是應用比較多的方法，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。由于被測材料的導熱性能決定這一關系，由此可得到材料的導熱系數，可采用式（5）計算：

式中：

λ——導熱系數，W/(m·K)；

I——熱線加熱電流，A；

U——熱線A、B間的端電壓，V；

L——電壓引出端A、B間熱線的長度，m；

R——測定溫度下熱線A、B間的電阻，Ω；

t1、t2——從加熱時起至測量時刻的時間，s；

θ1、θ2——t1和t2時刻熱線的溫升，℃。

這種方法的優點是產品價格便宜、測量速度快，對樣品尺寸要求不太嚴格。缺點是分析誤差比較大，一般為 5％~10％。這種方法不僅適用于干燥材料，而且還適用于含濕材料。該法適用于導熱系數小于2W/m·K的各向同性均質材料導熱系數的測定。

（5） 閃光法

閃光法[5]可看作是一種絕對的試驗方法，適用測量溫度為75~2800K，熱擴散系數在10-7~10-3m2/s時的均勻各向同性固體材料。測試原理為：小的圓薄片試樣受高強度短時能量脈沖輻射，試樣正面吸收脈沖能量使背面溫度升高，記錄試樣背面溫度的變化。根據試樣厚度和背面溫度達到最大值的某一百分率所需時間，計算出試樣的熱擴散系數（α），然后根據材料的熱擴散系數和體積密度及比熱容，計算出材料的導熱系數(λ)。熱擴散系數和導熱系數的計算公式如（6）和（7）：

α＝0.13879L2/t1/2（6）

式中：

α——熱擴散系數，m2/s；

L——試樣厚度，m；

t1/2——起始脈沖開始到試樣背面溫度升至最高時所需的一半時間，s。

λ=αcpρ（7）

式中：

λ——導熱系數，W/m·K；

α——熱擴散系數，m2/s；

cp——試樣比熱容，J/（kg·K）；

ρ——試樣體積密度，kg/m3。

從原理上講，試樣的熱擴散系數根據試樣的厚度、熱量從正面傳遞到背面的特征時間函數來確定。試驗的不確定度和很多因素有關，包括試驗本身、測定的溫度、探測器性能、數據采集系統、數據分析（特別是有限脈沖時間的影響）、試驗的不均勻加熱和熱輻射損失。對這些不確定度的原因可進行系統考慮，并對每次試驗進行仔細分析。該方法具有試樣幾何結構簡單、尺寸小、易于加工、測速快、設備單一等特點。

3 結 語

材料的導熱系數測試方法主要有熱流法、防護熱板法、圓管法、熱線法以及閃光法。各種方法都有不同的特點，應綜合考慮被測試樣的性質、形狀、導熱系數的范圍、測量溫度等因素，選用合適的導熱系數測試方法。

參考文獻

[1] GB/T 10295-2008，絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定熱流

法.

[2] GB/T 10294-2008，絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護

熱板法.

[3] GB/T 10296-2008，絕熱層穩態傳熱性質的測定圓管法.

[4] GB/T 10297-1998，非金屬固體材料導熱系數的測定方法.

[5] GB/T 22588-2008，閃光法測量熱擴散系數或導熱系數.